龍一聯燃氣電站零排電流過高的治理

楊旭升 劉軍

1大慶油田采油九廠 2大慶油田設計院

1 發電站現狀

龍一聯燃氣發電站2010年建成并投產運行，2臺燃氣發電機功率為600 kW，出口電壓為0.4 kV，經過0.4/6 kV 2 000 kVA變壓器（型號為S11—M—2000/6 0.4/6.3±5%DYn11）升壓后與35/6 kV變電所并網運行。運行一段時間后，發現并網柜零母排電流高達1 000 A，電壓為10 V，配電柜局部發熱。經過諧波測試，發現3、9、15、21次諧波均嚴重超標。三相電流和電壓均平衡，不存在相角差；零母排電流均較大，電壓卻較小。兩面配電柜敞開時互相接觸振動較大，配電柜內局部發熱，采用紅外線溫度測試儀測試溫度從60℃到110℃不等，威脅著發電機及其中性點設備的安全運行。因此，有必要尋找一種抑制發電機中性線電流過大的方法。

2 問題的分析

針對上述問題，分別對2臺發電機組運行、1臺發電機組運行、2臺不運行僅用變壓器單端供電三種情況進行測試。

2.1 數據分析

（1）2臺發電機組均正常運行。測試數據中，現實中線平均電流為926 A（測試點為匯流零排），零線對地電壓為12 V，電壓波形正常，電流波形失真（1.87＞1.4）。功率因數 pf＝0.94。表明并不是所有提供的功率都被消耗，存在一定數量的無功功率。電流超前（電容性負載）或滯后（感應性負載）。N線電壓諧波畸變率為1 539%，主要為3（2n+1）（n＝0，1，2…）倍的電壓諧波源。N線電流諧波畸變率為2 079%，主要為3（2 n+1）（n＝0，1，2…）倍的電流諧波源。k＝9.2，表示諧波電流的數量，也有資料表示由于諧波電流造成的變壓器潛在損耗的數值。電壓總諧波畸變率6.7%（＞5%），電流總諧波畸變率35.7%，k＝2.8。從圖1、圖2的測試可以看出，電流、電壓、功率相對平衡；但是對不平衡度進行測試后發現瞬時電流平衡度超過國標（國標∑u＜2%）。初步估計為存在短時間諧波，但是也可能原因為2個諧波源的同次諧波電流在同一相上疊加產生的，短時間諧波主要引起電壓和電流不平衡。

圖1 電流電壓測試

圖2 功率和電能測試

（2）1臺發電機組正常運行。零線電流為515 A，電壓將為7.97 V。電流波形失真，功率因數pf＝0.94。N線電壓諧波畸變率為1 412%，電壓總諧波畸變率為4.7%（＜5%），不超標。N線電流諧波畸變率為2 502%。

（3）發電機組停止運行（所測數據為變電所送電狀態）。數據表示零排電流基本歸零，此數據與周圍所有與該配電柜有接觸的導線物件（如拖把、擋板等）測試的電流接近。N線電壓諧波畸變率為1209%。N線電流諧波畸變率為194%，pf=72.5。電流存在不平衡，電壓總諧波畸變率0.6%（＜5%），電流總諧波畸變率為208.3%，k=76.8，各相電流均存在諧波。

（4）三種運行情況分析。停電后，零排電流基本為0，但是電流諧波明顯消失，柜體溫度降低。根據以上數據，判斷零序電流諧波產生熱源，諧波源主要為發電機產生。

2.2 理論分析

（1）發電機結構分析。磁場磁極的非正弦分布是由于電樞有齒、槽造成非平滑表面引起的，因此發電機結構也會引起諧波。

（2）發電機、變壓器中性線作用分析。中性線電流是不對稱運行時諧波電勢致使中性點出現位移電壓而引起的，若僅存在諧波電勢而沒有相應的通路或這個通路上有較大的阻抗時，則不會產生較大的諧波電流。

（3）零序電流通路分析。當發電機單機運行并經過升壓變壓器向線路送電時，由于升降壓變壓器低壓側中性點與工作接地的發電機構成了零序電流通路，限制零序電流的電抗主要是變壓器的零序電抗，因此只要諧波電勢存在，就會產生較大的零序電流。

3 措施及改進

（1）完善發電機的結構設計。磁場非正弦分布引起的諧波電勢，通過采用隱極式轉子，勵磁繞組分散布置，讓主機磁場波形比較接近正弦形；定子采用短距和分布繞組削弱5、7次諧波。減小定子槽開口，采用斜槽的方法削除齒諧波電勢。

（2）加裝電抗器。發電機出廠后無法改動，因此只能增加諧波電流回路的阻抗值。在后期改造中，將各發電機中性點直接接地改為經電抗器接地。為有效限制中線電流，綜合考慮電抗器的容量以及電感在電抗器上引起的電壓降，同時保證中線截面不小于相線的1/2。

（3）試驗諧波治理裝置。目前，采油九廠進行諧波治理后，功率因數達到0.93以上，電壓總諧波畸變率小于5%，諧波電流允許值滿足《大慶油田配電網諧波污染防治技術管理規定》的規定。

（4）完善繼電保護控制系統。將保護斷路器更換為四極（增加N線），同時設置繼電保護就近保護方式，增加靠近變壓器側的延時保護。