关于发电机中性线接地电流产生原因及控制措施

温学平

摘 要:近年来,我国的小水电事业发展迅速,各地新上了一批以220V/400V为主的小型发电机,经济效益、社会效益明显。但在运行过程中,小型水轮发电机中性线接地电流较大,这些发电机的出口电压一般都是40kV,经变压器升压为10kV或35kV并入电网,有的发电机中性线电流甚至高达几百安,使得按规定截面配置的中性线发热烫手,威胁着电流互感器等的安全运行,经试验分析,认为这是由发电机中存在的谐波电势所引起的。本文就水轮发电机中性线接地电流产生原因及控制措施作浅述。

关键词:水轮发电机中性线电流控制措施

中图分类号:TM6 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0132-01

清远市迎咀水库管理所一级电站2台水轮发电机组,型号:TSWN85/31-8,功率320KW(原来250KW,后经扩容增至320KW),电压0.4KV,2台发电机经低压母线汇流后,通过一台升压变压器变成10KV后送入电网。变压器型号:S9-1250KVA/11-0.4。

1 中性线电流产生原因

(1)发电机出口电压为400V时,其接线方式有三相三线制和三相四制两种制式。为了能够向220V负荷供电,小型发电机都采用中性点直接接地方式的三相四线制接线方式,在这种接线方式下,中性线中有可能会产生很大的电流。产生的原因是。

①三相负荷不平衡时,中性线上就有零序电流。②发电机绕组中的3次及3的倍数次谐波电势产生的谐波电流(以下简称3次谐波电流),中性线中的3次谐波电流等于各相线中3次谐波电流的3倍。③晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、充电装置、铝电解槽、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器,变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器,也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是最大的谐波源。

(2)单台发电机带直配负荷运行时,若负荷侧中性点接地,则3次谐波电流要经过负荷阻抗才能构成回路,这个阻抗值较大,因此这种运行方式的中性线电流不大。

(3)多台机组并联运行时,3次谐波电流可以母线和发电机之间形成环流,此时的阻抗很小。当多台发电机并联运行时,理想情况下,负荷分配均匀、功率因数相同、相位相同,各机组的3次谐波电势互相抵消,不会形成环流;但是,由于发电机制造工艺上的差异,使各发电机的谐波分量幅值不同,或各发电机所承担的负荷不同,以及无功功率分配不均匀等,从而使各台发电机的电势相位不同,合成的3次谐波电势在并联运行机组的中性线上形成较大的中性线电流。我所2台发电机经过扩容后中性线产生较大的电流,主要原因是制造工艺上存在较大的差异,扩容后也没有经过严格的测试。

(4)中性线上流过的总电流为三相负荷不平衡电流(基波零序电流)和3次谐波电流的叠加。

3中性线电流过大的危害

(1)导线载流量下降。高次谐波电流作用于导线上,则会使导线产生集肤效应,使导线载流量下降。(2)影响发电机的寿命和效率。严重时可能烧毁中性线,使发电机发热,造成绝缘老化加剧,影响发电机的寿命。

4控制措施

中性线中的3次谐波是有害的,必须加以控制。由于制造上的原因,要从发电机结构上完全克服3次谐波电流是有困难的,故必须从发电机的运行方式及系统上采取措施限制3次谐波电流。

(1)中性线引出线上加装隔离开关,以切断3次谐波的环流回路,见图1。在运行中,可根据中性线上的谐波电流大小和分布情况,断开一些发电机中性线的隔离开关,使这些发电机运行于三相三线制,未断开的发电机运行于三相四线制,承担220V负荷。此时系统中至少保持一台发电机运行于三相四线制。但缺点是:单相负荷集中于个别发电机,增加了这样发电机的三相负荷的不平衡度。当发电机系统中发生单相接地故障时,短路电流减小,此时应考虑对继电保护和熔断器的影响。

(2)中性点引出线上加装电抗器,可以有效地限制3次谐波电流,见图2。其缺点是加电抗器后,引起负荷中性点偏离,加大了三相电压的不平衡度,降低了单相短路保护的灵敏系数。从限制3次谐波电流的角度看,接地电抗器的阻值越大越好,但从减小中性点电压偏离的角度看,电抗器的阻值越小越好。所以电抗器的阻值选择要兼顾二者的要求。

接地电抗器的选择:额定电流按发电机额定电流的25%考虑,同时满足当电抗器通过额定电流时,其上的电压降不大于10V。

(3)在励磁回路中加装直流均压线,使无功负荷分配趋向平衡,有效抑制3次谐波。

5结语

发电机是电力系统中最重要的设备之一。因此,为了确保发电机的安全,针对发电机中性线电流产生原因,采取相对应的控制措施,把发电机的接地电流限制在一定范围内,使故障点不产生电弧或者电弧瞬间熄灭,避免接地故障发展成为相间或匝间短路,烧坏定子铁芯和绕组绝缘。