发电机三相电压不平衡的分析与处理

贾建中

（九江新华水电开发有限公司下坊水电厂，江西 九江 332300）

发电机三相电压不平衡的分析与处理

贾建中

（九江新华水电开发有限公司下坊水电厂，江西 九江 332300）

分析了机组三相电压不平衡的原因及解决措施，从中总结出了机组安装、检修过程中应注意的事项，便于解决以后出现的类似情况。

三相电压不平衡；中性点接地；谐波

1 引言

发电机三相电压不平衡的原因有多种，主要原因是机组的谐振。谐振是一种稳定现象，谐振过电压不仅会在操作或故障时的过渡过程中产生，而且还可能在过渡过程结束以后，较长时间内稳定存在，直到发生新的操作，谐振条件受到破坏为止。按性质来说，谐振有线性谐振、非线性谐振（铁磁谐振）和参数谐振3种类型。①线性谐振：电路中的元件参数是常数，不随电压或电流而变化，这里主要是指不带铁芯的电感元件，如输电线路的电感等。②铁磁谐振：振荡回路中由于带铁芯电感（如发电机、变压器等）的磁路饱和作用，使它们的电感减小，激发起来的持续性铁磁谐振过电压。③参数谐振：指水轮发电机在正常同步运行时，直轴同步电抗xd与交轴同步电抗xq同期性地变动，或同步发电机在异步运行时，其电抗将在xd～xq之间同期性地变动，如果与电机外电路的容抗xc满足谐振条件，就有可能在电感参数周期变化的振荡回路中，激发起谐振。水轮发电机一般在设计出厂前，就充分考虑到谐振问题，发生谐振的机率较小，但也有部分机组出现此问题。

2 概况

某电厂装机2×18 MW灯泡贯流式水轮发电机组（发电机型号为SFWG18-60-6000），一机一变单元接线方式。主变低压侧6.3 kV母线接有发电机、厂变、坝变、近区变、PT等设备。6.3 kV母线PT、发电机PT二次侧分别装有消谐装置，具体接线如图1、2所示：

图1 1号发变组单元接线图

图2 机组PT接线示意图

该电厂于2008年开工建设，2011年3月份2台机组正式投入商业运行。在2010年12月份首台机组（1号机）投产调试过程中，机组在进行递增加压试验时，发电机三相电压严重不平衡，发电机定子接地保护动作，机组PT消谐装置发谐振报警，为消除谐振故障，调试人员分别进行了带厂变、带主变的递增加压试验，但电压不平衡现象并没有消除。在带厂变、带主变的试验过程中，发电机连接的6.3 kV母线同时也出现三相电压不平衡情况，为消除电压不平衡，一度影响机组投产进度。

3 过程

1号机组在递增加压时，随着电压逐步升高，电压偏差值进一步加大。检查机组PT开关柜的端子排二次回路接线正确，检查发电机对地绝缘良好。初步分析为：由于PT中性点经击穿保险接地，造成正常运行情况下PT中性点没有接地，当PT二次侧负荷分配不平均时，就会造成PT二次侧电压不平衡，检修人员即将PT二次侧中性点直接接地，但消谐告警继续存在。

根据相电压不平衡及谐振告警，初步分析发电机可能发生了谐振，参照消除谐振的一般处理办法，调试人员在PT二次开口侧接一盏200 W电灯泡，电压不平衡现象没消除；随即进行了带1号厂变的递增加压试验，发电机电压不平衡现象继续存在，此时6.3 kV母线电压表也同时显示电压不平衡，递增加压最高时，6.3 kV母线与发电机PT的二次相电压如表1所示：

表1

随后，调试人员进行了带1号主变的递增加压试验，电压不平衡现象依然存在。

4 分析

4.1 现象分析

水轮发电机发生谐振其根本原因为发电机及其所带负载（机组PT、励磁变、励磁PT）的综合感抗与容抗相等，利用图3的L-C串联谐振电路及图4、图5发电机等效电路图进行分析。假设正常运行条件下，其初始感抗大于容抗（ωL＞1/ωC），电路不具备谐振的条件，而电感线圈中出现涌流时就有可能使铁芯饱和，感抗下降，使ωL=1/ωC，满足串联谐振条件，产生铁磁谐振。

图3 发电机发生谐振的原理图

图4 阻尼绕组直轴等效电路

图5 阻尼绕组交轴等效电路

引起水轮发电机发生参数谐振的原因有两种，一种为内部原因，即由于系统内自然频率的相互特殊关系引起；另一种为外部原因，即由于系统的周期性负荷变化引起。两种原因造成发电机交轴电抗XAQ与发电机直轴电抗XAD参数周期性变化，当与外电路的容抗xc满足谐振条件时，发电机即发生参数谐振，参数谐振是电力系统内主要振荡模式之间的能量传送、接收的一种形式。从过程原因分析，该电厂1号机组在调试过程中因机组未与系统并列，不存在受系统频率和负荷影响，且电压没有出现周期性变化特点，不存在能量传送及接收，所以出现的类似谐振现象，即使是发电机谐振也应不属于参数谐振，而是铁磁谐振。

4.2 理论分析

4.2.1 发电机PT三相电压

电压互感器的作用是将电压转换成与其成比例的低电压，正常运行时电压互感器磁通密度高，接近饱和值，且一次电压越高，磁通密度越大，当电压高到一定值时，电压互感器磁通密度即达到饱和状态，此时，电压互感器一次电压与二次电压不成正比例关系，电压互感器的电感会下降，随着饱和程度逐步增加，电压互感器的电感值会进一步降低。在发电机正常运行情况下，发电机电压互感器一次侧电压对称，二次侧三相线电压对称并等于额定电压（二次侧三相线电压Uab=Ubc=Uca=100 V），开口三角电压由于首尾重合，电压约等于零，即：U0≈0 V。为了便于分析PT的运行情况，对中性点不接地电网PT的三相进行简化如图6所示，设Ua、Ub、Uc为三相对称电势，C0为相对地电容，La、Lb、Lc为PT励磁电感，U0为中性点对地电压，由于三相电势对称，所以U0=0。

图6 中性点不接地电网PT的三相简化电路

由图6可知，当发电机发生谐振时三相电压不平衡，PT三相励磁电感就不相等，此时三相系统也不再是对称的量值，中性点电压偏移，将会产生零序电流和对地位电压U0，理论上对于任何不对称的三相系统都可以分解为3个对称的分量，即：零序分量、正序分量和负序分量。在PT二次侧开口三角上，由于正序分量和负序分量方向相反、矢量和为零，所以只有零序分量，即开口三角就有了零序电压，零序电压又叠加在二次侧三相电压上，就出现了二次侧三相电压不平衡现象。该厂电压不平衡的可能原因是发电机PT或发电机发生了铁磁谐振。

4.2.2 PT的伏安特性

电磁式PT是由带有铁芯的绕组构成。由于铁芯伏安特性具有非线性特征，当一次绕组接入电压所产生的磁通超过饱和点时，绕组中励磁电流Im呈尖顶波状。若将尖顶波进行分解，除基波分量外，包含有各奇次谐波，其中以3次谐波幅值最大（图7）。

图7 励磁电流特性

当Y0接线的PT接入三相对称电压UA、UB、UC时，设流过三相PT一次绕组Y0接线的励磁电流为IAM、IBM、ICM，流过中性点O的电流（图8）：①若3只单相PT伏安特性完全相同，则励磁电流中的基波的模值I1M相同，设I1AM=I1M∠0°，I1BM=I1M∠-120°， I1CM=I1M∠120°。则流过中性点基波电流为I1M=I1AM+I1BM+I1CM=0（图9a）。而励磁电流中的3次谐波角差为零度，即I3AM=I3M∠3×0°=I3M∠0°，I3BM=I3M∠-3×120°=I3M∠-360°=I3M∠0°，I3CM=I3M∠3× 120°=I3M∠360°=I3M∠0°，即流过中性点的电流I0即是3次谐波电流I0=I30=I3M∠0°+I3M∠0°+I3M∠0°=3I3M∠0°（图9b）。正常运行时，在PT二次侧开口三角测量的电压为一次侧3次谐波在接地电阻R上产生反应到二次侧的电压，频率为3倍的基波频率150 Hz。②若3只单机PT的伏安特性相差很大，那么三相励磁基波电流的幅值不相等，I1M= I1AM+I1BM+I1CM≠0，3次谐波电流I30≠0，因此PT中性点位移电压等于基波电流加上3次谐波电流在接地电阻R上产生的综合电压，PT中性点发生较严重的漂移（图8b），造成PT各相电压发生严重不平衡，PT二次侧开口三角测量的电压频率为基波频率50 Hz。

测量PT二次侧开口三角测量的电压频率为基波频率50 Hz，PT三相可能存在伏安特性相差很大的情况。由于该厂发电机PT一次侧中性点直接接地，理论上接地电阻为0 Ω（实际接地电阻0.2 Ω左右），分析即使PT三相伏安特性相差较大，也不会出现电压如此严重的不平衡，考虑到施工期可能出现PT一次侧中性点没有可靠接地的情况，在分析过程中增加了PT一次侧中性点的接地电阻影响分析（图8），如PT一次侧中性点接地电阻R很大，加之PT伏安特性的不同可能造成PT二次侧电压不对称。施工人员检查PT中性点接地情况良好。

图8 PT中性点电压图

图9 中性点电流向量分析

4.2.3 PT消谐装置

发电机PT开口三角安装有消谐装置，其工作原理为：正常运行时，电压互感器开口三角的电压（3U0）理论上是0 V，在实际中一般也不超过10 V。系统发生单相接地故障时，3U0将迅速升高到30 V，有时更高，达到120 V，形成过电压。当系统形成了铁磁谐振时，在形成的谐波含量中，16.667 Hz，25 Hz，150 Hz 3种成分比重较大，其他的分量相对很小，一般忽略。装置实时监测PT开口三角电压，运用DFT算法计算出电压4种频率（16.667 Hz，25 Hz，50 Hz，150 Hz）的分量，当16.667 Hz谐波电压、25 Hz谐波电压、150 Hz谐波电压3种谐波电压中某一电压大于设定值时，即发谐振告警，启动消谐功能。

该厂在发电机进行递增加压时，发电机PT消谐装置即出现三相电压不平衡，当电压递增到一定值时，消谐装置发谐振报警；在带厂变和带主变的递增加压过程中，6.3 kV母线PT消谐装置同时出现不平衡现象，并发谐振报警。从发电机PT消谐装置、6.3kV母线PT消谐装置均发谐振报警的情况分析，发电机发生了谐振的可能性极大。最高时发电机PT、6.3 kV母线PT中A相电压Ua均为83 V以上，远超正常时相电压57.7V，A相存在严重过电压，造成A相磁通严重过饱和，因此产生很大值的3次谐波（150 Hz）电压，达到了消谐装置动作的条件。从消谐装置的显示电压和动作来看，消谐装置动作正确，发电机极有可能发生了谐振现象。但因为发电机处于调试期，使PT形成过电压的原因有多种，消谐装置动作不能100%证明发电机发生了谐振。

图10 PT开口三角接线及消谐装置原理示意图

4.3 处理过程分析

发电机从加压开始即出现三相电压不平衡，这与铁磁谐振存在矛盾，因为发电机相当于一个大电感元件，且电感值远大于电容值，在低电压时，铁芯不可能马上饱和，造成感抗与容抗相等，因此也就达不到谐振条件。后期调试人员分别进行了在PT二次开口侧接一盏200 W电灯泡、带1号厂变的递增加压和带1号主变的递增加压试验，发电机电压不平衡现象没有消除。带厂变和带主变递增加压，相当于大幅度地改变了发电机电气回路中的电感值，使感抗与容抗不可能再相等，而现象没有消除，这与发生谐振的基本原理存在冲突，因此，发电机三相电压不平衡应该与谐振没有关系。

4.4 分析归纳

通过现象、理论及处理过程分析，虽然电压不平衡与发电机发生谐振十分相似，但发电机应没有发生谐振，此过程极有可能为PT的伏安特性相差太大或者PT的二次接线错误，造成PT二次侧电压不平衡，因此下阶段应重点检查发电机PT和母线PT情况。

5 处理及原因分析

5.1 处理

调试人员重点检查了PT的二次接线，检查发现发电机PT、母线PT本体引出线B相接线的二次端子号错误（同一人所为），且安装人员没有对线，造成“b”与“n”接反，使PT的b相极性接反，对错误接线的B相进行重新接线后，发电机及母线三相电压平衡，故障现象消除。

5.2 原因分析

该电厂的PT二次侧均通过击穿保险接地，当PT极性接反时，因二次侧电压仍然很低，击穿保险没有击穿，此时PT二次侧中性点因没有直接接地，造成中性点发生严重的偏移，使各相电压严重不平衡；PT开口二次侧因B相电压的矢量变反，故正常时PT开口即存在基波电压，因此PT开口频率f为基波频率50 Hz，PT开口电压造成接地保护动作；由于三相电压不平衡造成某一相电压过高，因而形成3次谐波，使消谐装置动作报警，具体各相电压的相量关系见图11（图b）所示。

图11 电压相量图

［1］刘新东.10-35 kV配电网铁磁谐振过电压的表现形式及消除措施［J］.电工技术杂志，2000（6）：45-46.

［2］张爱民.电压互感器谐振分析及使用要点［J］.电工技术，2008（03）：60-61.

TM312

B

1672-5387（2016）07-0053-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.017

2016-02-29

贾建中（1976-），男，助理工程师，从事水电站运行与维护管理工作。