關于發電機中性線接地電流產生原因及控制措施

溫學平

摘 要:近年來,我國的小水電事業發展迅速,各地新上了一批以220V/400V為主的小型發電機,經濟效益、社會效益明顯。但在運行過程中,小型水輪發電機中性線接地電流較大,這些發電機的出口電壓一般都是40kV,經變壓器升壓為10kV或35kV并入電網,有的發電機中性線電流甚至高達幾百安,使得按規定截面配置的中性線發熱燙手,威脅著電流互感器等的安全運行,經試驗分析,認為這是由發電機中存在的諧波電勢所引起的。本文就水輪發電機中性線接地電流產生原因及控制措施作淺述。

關鍵詞:水輪發電機中性線電流控制措施

中圖分類號:TM6 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0132-01

清遠市迎咀水庫管理所一級電站2臺水輪發電機組,型號:TSWN85/31-8,功率320KW(原來250KW,后經擴容增至320KW),電壓0.4KV,2臺發電機經低壓母線匯流后,通過一臺升壓變壓器變成10KV后送入電網。變壓器型號:S9-1250KVA/11-0.4。

1 中性線電流產生原因

(1)發電機出口電壓為400V時,其接線方式有三相三線制和三相四制兩種制式。為了能夠向220V負荷供電,小型發電機都采用中性點直接接地方式的三相四線制接線方式,在這種接線方式下,中性線中有可能會產生很大的電流。產生的原因是。

①三相負荷不平衡時,中性線上就有零序電流。②發電機繞組中的3次及3的倍數次諧波電勢產生的諧波電流(以下簡稱3次諧波電流),中性線中的3次諧波電流等于各相線中3次諧波電流的3倍。③晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、充電裝置、鋁電解槽、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網吸收的是缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器,也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明:由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。

(2)單臺發電機帶直配負荷運行時,若負荷側中性點接地,則3次諧波電流要經過負荷阻抗才能構成回路,這個阻抗值較大,因此這種運行方式的中性線電流不大。

(3)多臺機組并聯運行時,3次諧波電流可以母線和發電機之間形成環流,此時的阻抗很小。當多臺發電機并聯運行時,理想情況下,負荷分配均勻、功率因數相同、相位相同,各機組的3次諧波電勢互相抵消,不會形成環流;但是,由于發電機制造工藝上的差異,使各發電機的諧波分量幅值不同,或各發電機所承擔的負荷不同,以及無功功率分配不均勻等,從而使各臺發電機的電勢相位不同,合成的3次諧波電勢在并聯運行機組的中性線上形成較大的中性線電流。我所2臺發電機經過擴容后中性線產生較大的電流,主要原因是制造工藝上存在較大的差異,擴容后也沒有經過嚴格的測試。

(4)中性線上流過的總電流為三相負荷不平衡電流(基波零序電流)和3次諧波電流的疊加。

3中性線電流過大的危害

(1)導線載流量下降。高次諧波電流作用于導線上,則會使導線產生集膚效應,使導線載流量下降。(2)影響發電機的壽命和效率。嚴重時可能燒毀中性線,使發電機發熱,造成絕緣老化加劇,影響發電機的壽命。

4控制措施

中性線中的3次諧波是有害的,必須加以控制。由于制造上的原因,要從發電機結構上完全克服3次諧波電流是有困難的,故必須從發電機的運行方式及系統上采取措施限制3次諧波電流。

(1)中性線引出線上加裝隔離開關,以切斷3次諧波的環流回路,見圖1。在運行中,可根據中性線上的諧波電流大小和分布情況,斷開一些發電機中性線的隔離開關,使這些發電機運行于三相三線制,未斷開的發電機運行于三相四線制,承擔220V負荷。此時系統中至少保持一臺發電機運行于三相四線制。但缺點是:單相負荷集中于個別發電機,增加了這樣發電機的三相負荷的不平衡度。當發電機系統中發生單相接地故障時,短路電流減小,此時應考慮對繼電保護和熔斷器的影響。

(2)中性點引出線上加裝電抗器,可以有效地限制3次諧波電流,見圖2。其缺點是加電抗器后,引起負荷中性點偏離,加大了三相電壓的不平衡度,降低了單相短路保護的靈敏系數。從限制3次諧波電流的角度看,接地電抗器的阻值越大越好,但從減小中性點電壓偏離的角度看,電抗器的阻值越小越好。所以電抗器的阻值選擇要兼顧二者的要求。

接地電抗器的選擇:額定電流按發電機額定電流的25%考慮,同時滿足當電抗器通過額定電流時,其上的電壓降不大于10V。

(3)在勵磁回路中加裝直流均壓線,使無功負荷分配趨向平衡,有效抑制3次諧波。

5結語

發電機是電力系統中最重要的設備之一。因此,為了確保發電機的安全,針對發電機中性線電流產生原因,采取相對應的控制措施,把發電機的接地電流限制在一定范圍內,使故障點不產生電弧或者電弧瞬間熄滅,避免接地故障發展成為相間或匝間短路,燒壞定子鐵芯和繞組絕緣。