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小水电站发电机中性线电流过大的不良影响及其对策 |
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| 小水电站发电机中性线电流过大的不良影响及其对策 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:15:37  |
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张文渊
1 中性线电流过大的不良影响
不少小水电站，将发电机中性点引出接在一条公共的中性线上，再与主变压器低侧中性点共用一个接地装置接地。发电机中性点这种运行方式带来中性线电流过大，给发电机、主变压器的经济安全运行造成极为不良的影响。
1.1 中性线电流过大的原因
小型水轮发电机由于结构和制造工艺上的原因，其主磁通在空气隙中的分布只能是近似正弦波的平顶波，其中含有较大比重的高次谐波分量，特别是三次谐波分量。因此在定子绕组中除感应出基波电势外，还会感应出一定数量的其他高次谐波分量，其中以三次谐波分量比重最大，即定子绕组中的感应电势亦为近似正弦波的平顶波。
若电站所选用的发电机规格、型号、生产厂家不完全一样，则每台发电机产生的三次谐波电势值及相位值均不相同；若电站所选用的发电机为同一生产厂家的同规格、型号的机型，也会因为各台机组的水轮机转速特性、导叶开度等不完全相同而导致各台发电机的三次谐波电势值及相位值均不相同。
此外，对三次谐波电势来说，在其承载感性负荷时所产生的电极反应是起助磁作用的。现在电站将各台发电机的中性点，用一条公共的中性线联接在一起，并与主变压器低压侧中性点共用一个接地装置接地。这样发电机便通过接地装置与主变压器的低压侧中性点联接，主变压器这个集中、强大的感性负载将使发电机的三次谐波电势得到更进一步的加强。而中性线阻抗又很小，所以必然会产生中性线电流，严重情况下其值可达到或超过发电机相电流值。
1.2 三次谐波电流引起额外损耗
三次谐波电流利用中性线形成回路，以中性线电流的形式表现出来。该电流在发电机定子绕组及主变压器低压线组中通过时，必将引起巨大的额外损耗产生，使发电机、主变压器的运行温升增大，效率降低。
为了更直观地说明三次谐波电流所引起的额外损耗，现将小型水电站所作的一些测试情况介绍如下。
某小型水电站装机1×160kW，配用SL－200/10型主变压器1台，发电机引出线采用4根长67m、截面面积为70mm2的铜芯绝缘导线，中性线与主变压器低压侧中性点共用一个接地装置接地。测试时，先将主变压器高压的所有跌落式熔断器全部拉断，然后启动水轮发电机组并建立空载电压，随后将发电机的主控开关投入，使发电机及主变压器处于空载运行状况。用钳形电流表对中性线电流I进行多次测量，取其平均值为233A。之后主变压器的空载损耗W1(测量)为0.957kW，较变压器生产厂家所提供的空载损耗W2(0.54kW)要大得多。该小型水电站的年投运时间T约为7000h，则可以算出中性线和主变压器每年所增加的额外电能损耗。
(1)中性线的额外年电能损耗A1
查《电工手册》得70mm2的铜芯导线单位电阻r0为0.28Ω/km，则线电阻R为：
R＝r0L＝0.28×0.067＝0.0188Ω
则年额外电能损耗为：
A1＝I2×R×103×T
＝2332×0.0188×10－3×7000
＝7144kWh
(2)主变压器的额外年电能损耗A2
A2＝(W1－W2)×T
＝(0.957－0.540)×7000
＝2919kWh
此外，三次谐波电流在通过发电机绕组时也要引起额外损耗的产生，高次谐波磁通通过有关金属部件、油箱、外壳形成回路时还会引起附加铁损的产生。所以实际上由于三次谐波电流的存在，所造成的额外年电能损耗要远远超出以上所计算的两项额外损耗之和。
额外损耗的大量产生，使主变压器、发电机、中性线的温升大幅度增加，每当夏季高温时期主变压器的温升经常会超出规程要求(允许温升值为55℃)，这样必然会大大加快主变压器绝缘的老化速度，即必将使主变压器的使用寿命大大降低。发电机在夏季运行温升同样偏高，中性线发热严重 ，都会使其使用寿命大为减少。
1.3 降低电站出力，造成水资源浪费
因为三次谐波电流仅在低压侧，借助中性线形成回路流动，即三次谐波电流仅在低压侧作环流循环流动，并未输入电网，所以发电机的定子绕组的额定电流值是一定的。这一环流在定子绕组中通过，则势必要减少发电机的真正输出容量，使其不能满出力向电网送电，否则发电机就将出现过负荷运行工况，大大地降低发电机的利用率。每逢丰水期或水量充足时，造成大量的弃水，而难以实现用提高发电机运行功率因数值(发电机运行功率因数值，最高可将cosφ值提高到0.9～0.95)的方法，来抢发更多的有功功率，以减少弃水的目的。特别是那些无调节的径流小型水电站，在这方面的损失就更大。
2 对策
要消除以上各项缺陷，最简便可靠的方法就是改变发电机中性点的运行方式，即将发电机的中性线拆除，使三次谐波电流无法形成回路。因为在运行中将发电机中性线拆除后，发电机便成为三相三线制运行方式(发电机中性点不作接地处理)，原发电机的接地保护可利用发电机的三相电压表作指示。这样改变后虽然在各发电机定子绕组中仍然会有大小不等、相位不同的三次谐波电势存在 ，但因已经没有中性线作为通路，则无法形成回路，故中性线电流也就不会产生，从而消除了因三次谐波电流存在所引起的额外电能损耗、发(变)电设备运行温升过高、发电机出力受阻等缺陷的产生 ，提高了发电机、主变压器运行的经济性和安全性。
改变发电机中性点的运行方式，仅需将其中性线拆除即可，其他接线则一律保持不变，即主变压器低压侧中性点，仍然按照要求作直接接地不变，并由主变压器低压侧中性点引出中性线，以解决电站本身220V及近区380/220V的供用电问题
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