基于低压水电站机组中性点电流过大问题的解决技术措施

基于低压水电站机组中性点电流过大问题的解决技术措施陈敬松（钛能科技股份有限公司江苏南京211800）水利部“十二五”期间进行的增效扩容项目中，从改造的上百台小型机组运行情况看,这些小水电站主要为直接接地系统,即将发电机中性点引出线接在一条公共的中性线上,再与变压器低压侧中性线公用一个接地地网。这些电站普遍存在中性线电流偏大的问题,常常造成发电机、变压器效率降低及温升提高,中性线过度发热等。湖北十堰市郧西王家厂电站1号630kW机组,其中性线电流高达几百安,按规格配置的发电机中性线接地电缆(90mm²)绝缘层外壳发热冒烟、甚至熔化,严重威胁着发电机及其中性点设备的安全运行。安徽安庆太湖县石堰河电站2×400kW机组，投运之初，发电机中性线熔断，机组在运行工况下，厂房电源干扰较大，多个电气设备机壳出现对地100多伏感应电压，严重影响通讯稳定性。在该站运行人员为防止发电机中性线烧坏,曾将其拆除运行,但不久即发现,这样做不但不能保证安全,反而使发电机的绝缘受到极大的威胁。因为中性线电流与负荷电流几乎无关,即使让两台发电机空载并联运行,中性线电流仍很大。进一步用示波器观察得到幅值不等的发电机相电压波形,其最大幅值远远高于发电机相电压。将发电机中性线拆除再次用示波器观察,发电机相电压波形仍如原来所示,但其幅值有时甚至远远高于发电机出口线电压水平。这样高的电压在发电机上长期运行,将使发电机绝缘损坏而烧毁。因此,有必要寻找一种抑制小型水轮发电机中性线电流过大的方法。一、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。二、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。三、谐波电流分析发电机中性线仅在不对称运行中致使其出现中性点位移时,具有保证运行人员安全的作用,而且能在此时使发电机三相电压趋于平衡,保证发电机的安全运行及可靠供电,因为中性线电流是不对称运行时,谐波电势致使中性点出现位移电压而引起的。在单台发电机带直配负荷运行时,若负荷侧中性点接地,则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一般在30A以下(这时中性线电流是谐波电流和三相负荷不平衡电流的综合值)。当发电机单机运行,并经过升压变压器向线路送电时,情况就有所不同。由于10/0.4kV的变压器一般为Y/Yno-12接线,变压器低压侧中性点直接接地,这就与中性点也直接接地的发电机构成了零序电流通路。这条通路中限制零序电流的电抗主要是发电机和变压器的零序电抗,发电机的零序电抗较小,几百千瓦的机组一般为几十毫欧,变压器的零序电抗也不大,1000kVA,10/0.4kV的变压器低压侧零序电抗约为80mΨ左右。因此,即使谐波电势只有几伏到几十伏,也会产生较大的零序电流。如果这时拆除变压器中性线,则发电机中性线电流很快下降,并趋于零。在小型水电站中,大多是两台及以上机组并联后经升压变压器向外供电。发电机和变压器中性点都直接接地或用零序线引到配电盘再集中接地,这样不仅发电机与变压器中性点之间能构成零序电流通路,而且在发电机谐波电势差的作用下形成更大的电流。这就是运行中的小型发电机组产生中性线电流并且增大的原因。四、抑制与控制措施谐波电势决定于发电机结构,但是发电机出厂后一般不能改动,因此只能增加谐波电流回路的阻抗值。实践证明,将各发电机中性点直接接地改为经电抗器接地是一种很好的方法。改造的电站在运行中采用该方法后,既有效地抑制了中性线电流,又保证了发电机及其中性点设备的安全可靠运行,取得了很好的效果。改进中性点接线后用示波器观察,发电机相电压波形明显得到改善而趋于正弦形,其幅值与额定相电压也明显趋于一致。实践证明,该方法简便,成本低廉,在运行中不消耗有功功率。由于谐波电势主要以三次谐波为主,而电抗器对谐波电流呈现的阻抗值是基波的三倍。这样就有效地抑制了谐波电流值,而对基波电流不会有太大的影响。为了在小型水电站中推广使用该方法,在难以买到合适的电抗器时,可用现成材料自制。自制时铁心和线圈数据、尺寸等应根据现场条件进行选择,原则是在电抗值尽量小的前提下将零序电流限制在允许值范围内。如果中性线上所接电抗器电抗值较大,当发电机带单相或三相不平衡负荷运行时,中性点位移就会很大,不但影响供电质量,而且对设备和运行人员也有危险。因此其匝数最好做成可以改变的,以便根据运行情况增减匝数,调整电抗值,从而取得最佳效果。另外,为了保证运行人员的安全,安装该电抗器时最好用一围栏将其围住,运行中改变匝数以在围栏外即可进行为好。(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。图1中性点引出线上加装隔离开关示意图(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。图2中性点引出线上加装电抗器的示意图(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。五、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。在中性线回路上加装电抗器,既可效抑制电流过大现象,又可以提高发电机及变压器的效率,减少变压器温升。每台机组不足千元的费用也可被广大小水电业主接受。参考文献[1]卢任文.400V低压机组少人值班自动化控制系统[J].小水电,2013(4):79-82.[2]张宗林.低压发电机中线谐波电流的抑制[J].钢铁设计,1990(1):65-67.[3]彭纪权.小型低压水轮发电机的谐波电流及其抑制[J].《农村电气化》,2004(1):14-15.