劉 黎，蔡 勇，金祖山，徐 華

（1.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014；2.浙江省電力公司超高壓建設(shè)分公司，杭州 310008）

目前我國發(fā)電機組中性點大量采用消弧線圈補償方式。消弧線圈的作用是：當發(fā)生單相接地故障時，通過消弧線圈提供電感電流以補償接地電容電流，使接地電流減小并自動熄滅電弧，同時可防止大接地電流燒毀定子線圈和鐵心。但補償后，在發(fā)電機正常運行工況下，母線三相電壓不平衡度會間歇性明顯變大，中性點偏移電壓增大并超過標準要求（小于10%相電壓），導致零序電壓保護發(fā)出報警信號并有可能動作，嚴重影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

當中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地、斷線及其它異常情況時，往往通過電壓表指示的不平衡來分析判斷并作出處理。因電壓不平衡而誤認接地，卻找不到故障點；而真正的接地故障卻因為查找時間過長而被耽誤，引起事故擴大。在分析母線三相電壓不平衡度間歇性增大原因時，除了考慮系統(tǒng)的不對稱度KC、阻尼率d、脫諧度v之外，還應(yīng)該考慮發(fā)電機系統(tǒng)的特殊性，對諧波和運行方式進行分析。

1 消弧線圈檔位的選擇

當中性點裝設(shè)消弧線圈補償后，中性點電壓由不對稱電壓U0變?yōu)槲灰齐妷篣N。

式中：UP為相電壓。

因此，影響消弧線圈中性點位移電壓UN的因素有：

（1）系統(tǒng)不對稱電壓 U0（電網(wǎng)不對稱度 KC）。系統(tǒng)不對稱電壓U0為不帶消弧線圈時，系統(tǒng)三相電容不對稱而造成的不對稱電壓。影響U0大小的因素很多，主要與電網(wǎng)三相對地電容差異、三相負荷差異等有關(guān)。

（2）阻尼率d。阻尼率d=R/wL，其中R為系統(tǒng)回路的電阻，L為消弧線圈的補償電感。發(fā)電機單元阻尼率較小，特別是當消弧線圈無阻尼電阻設(shè)置時，R基本為傳導電阻，與消弧線圈感抗相比，阻尼率d數(shù)值較小，一般可以忽略不計。

（3）脫諧度 v。 v=（IC-IL）/IC， 其中 IL為消弧線圈補償感性電流，IC為發(fā)電機單元系統(tǒng)對地電容電流。當阻尼率忽略不計后，發(fā)電機單元系統(tǒng)中性點位移電壓UN將隨著脫諧度變化而變化。

中性點位移電壓過大將導致三相電壓有較大的偏移，對設(shè)備絕緣尤其不利。因此，國家相關(guān)規(guī)程針對消弧線圈對補償系統(tǒng)脫諧度的要求是：

發(fā)生單相接地故障時，消弧線圈補償裝置應(yīng)使流經(jīng)故障點的殘流盡量小。消弧線圈補償脫諧度應(yīng)盡量小，并盡可能只包含主接地電流的有功分量和不能被補償?shù)母叽沃C波電流。

中性點經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機，在正常情況下，脫諧度不應(yīng)太小，長時間中性點位移電壓不應(yīng)超過額定相電壓10%，相對地電壓升高值不得危害電網(wǎng)的正常絕緣。

顯然，上述要求相互關(guān)聯(lián)又彼此矛盾，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進行最優(yōu)配置。

2 諧波的影響

通過錄波儀對發(fā)電機正常運行時的中性點電壓波形進行監(jiān)測，中性點電壓的典型波形、頻譜分析如圖1、圖2所示。

正常運行時，發(fā)電機中性點的電壓以三次諧波電壓即150 Hz為主要成分，同時包含50 Hz基波和其它諧波成分。三次諧波以相電壓的形式存在，發(fā)電機一般與Δ/Y變壓器組成單元制接線，以線電壓方式對外輸出，三次諧波電壓相互抵消，因此三次諧波不會影響輸出的電壓質(zhì)量，但會對中性點位移電壓帶來較大影響。發(fā)電機中的三次諧波電壓是由發(fā)電機本身產(chǎn)生的,主要與結(jié)構(gòu)、繞組型式、制作工藝等因素有關(guān)，屬于發(fā)電機的固有特性，因此無法完全消除。

圖1 中性點電壓典型波形示意圖

圖2 中性點電壓頻譜圖

以某水力發(fā)電廠4號發(fā)電機組為例，中性點為手動調(diào)節(jié)消弧線圈接地方式，依次放置5 A，5.9 A，7.1 A，8.4 A，10 A五個檔位，測試電容電流為5.04 A，繪制出脫諧度與中性點位移電壓、電壓比值的關(guān)系如圖3、圖4。

從圖3、圖4可以看出，隨著脫諧度的增大，50 Hz基波電壓迅速下降。而三次諧波分量則隨著脫諧度的增加而緩慢增加。當脫諧度大于20%以后，中性點位移電壓有效值已與三次諧波電壓的大小基本相同。三次諧波隨脫諧度增加而略增屬于正?，F(xiàn)象，一方面發(fā)電機三次諧波的產(chǎn)生與發(fā)電機繞組間的分布參數(shù)有關(guān)，當繞組線圈末端的消弧線圈檔位改變時，三次諧波也隨之改變；另一方面三次諧波的感抗比工頻大三倍，容抗則小三倍。當工頻接近諧振狀態(tài)時，三次諧波的感抗遠大于容抗。隨著消弧線圈補償電流的增大，消弧線圈感抗逐漸減小，三次諧波感抗以三倍速率減小與容抗的差距，導致三次諧波幅值略增。

圖3 脫諧度與中性點位移電壓關(guān)系圖

圖4 脫諧度與電壓比值關(guān)系圖

由于三次諧波的影響，消弧線圈脫諧度增大到一定程度后，降低中性點位移電壓有效值的效果并不明顯。無論消弧線圈如何調(diào)整檔位，位移電壓與相電壓的比值都會維持在6.5%～8.5%（400～500 V，工頻諧振點除外），見圖4。當發(fā)電機機端電壓出現(xiàn)異常不平衡波動或開關(guān)不同期合閘等異常情況時，中性點零序工頻分量增加，很可能導致總的中性點位移電壓超過10%設(shè)定值。

因此，對消弧線圈檔位的調(diào)整不能僅根據(jù)傳統(tǒng)消弧線圈工頻電壓的理論計算結(jié)果，還需要對發(fā)電機本身的諧波進行測試，在實際運行的基礎(chǔ)上優(yōu)化檔位的選擇。

3 傳遞電壓的影響

當發(fā)電機變壓器高、中壓側(cè)系統(tǒng)為不直接接地系統(tǒng)時，系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障、斷路器不同期操作以及負荷不平衡等情況，中性點會出現(xiàn)明顯的零序工頻電壓分量U0，此分量將通過電磁和靜電的耦合傳遞到變壓器低壓側(cè)，即發(fā)電機側(cè)傳遞電壓U1為：

式中：C0為主變壓器低壓側(cè)相對地電容；C12為主變壓器高壓繞組和低壓繞組之間的電容；v為脫諧度，過補償時為負，欠補償時為正。因此，傳遞電壓的大小與消弧線圈的補償情況密切相關(guān)。

如果消弧線圈在欠補償條件下運行，低壓側(cè)阻抗為容性，則脫諧度越小，等效電容也越小，在低壓側(cè)出現(xiàn)的傳遞電壓就會越大。如果消弧線圈處于過補償運行狀態(tài)，低壓側(cè)阻抗是感性的，如果脫諧度太小，感抗與主變壓器高壓繞組和低壓繞組之間的電容可能會發(fā)生串聯(lián)諧振，將在低壓側(cè)產(chǎn)生嚴重的諧振過電壓。即使達不到諧振參數(shù)條件，也會由于電容效應(yīng)而在低壓側(cè)出現(xiàn)較高的過電壓。

系統(tǒng)正常運行時，斷路器不同期操作以及負荷不平衡等情況傳遞的電壓較小，但傳遞過來的零序電壓將與原有的電壓疊加，造成三相電壓不平衡加劇，疊加的結(jié)果（特別是由于諧波影響，中性點電壓已達7%～8%相電壓時）很可能會超過10%相電壓的規(guī)定值。

需要注意的是：當高、中壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地等故障時，高、中壓側(cè)中性點將出現(xiàn)較大的零序電壓，傳遞過來的電壓將有可能危及低壓系統(tǒng)的絕緣。

4 結(jié)論和建議

（1）發(fā)電機中性點位移電壓過高通常是多種因素綜合影響造成的，除了考慮單元結(jié)構(gòu)中三相對地電容不平衡、不同工況下系統(tǒng)補償運行狀態(tài)等影響因素外，還必須考慮諧波和傳遞過電壓的影響。

（2）發(fā)電機運行時產(chǎn)生的三次諧波不能完全消除，在工作點避開諧振點的情況下，消弧線圈的檔位選擇應(yīng)考慮三次諧波電壓影響,根據(jù)實際運行情況最優(yōu)選擇。有條件時可以考慮采取抑制諧波的措施，或者在監(jiān)控系統(tǒng)中增加諧波功能，實時監(jiān)控50 Hz基波和三次諧波的變化情況，有利于及時查找故障原因。

（3）在主變高、中壓側(cè)不接地運行時，應(yīng)特別注意監(jiān)控中性點電壓，防止傳遞過電壓的影響。在同樣的脫諧度時，采用欠補償方式的傳遞過電壓水平低于過補償方式。因此在主變不接地運行時，應(yīng)盡量保證消弧線圈的欠補償狀態(tài)。

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