小型低压水轮发电机的谐波电流及其抑制

小型低压水轮发电机的谐波电流及其抑制

作者：彭纪权

摘要： 本文从小型水轮发电机的运行实际出发，详细分析了产生谐波电流的原因和抑制谐波电流的方法，具有很好的现实意义。

关键词： 小型水轮发电机 谐波电流 抑制 1 问题提出

在几百kW，400V的小型机组运行中，我们曾观测到发电机中性线电流增大的实例。如兴义市兴西湖管理所枫洞电站1号400kW机组，有时其中性线电流高达几百安，常常将按规格配置的发电机中性线接地扁铁(40×4mm)烧成暗红，中性线发热、烫手甚至熔化，严重威胁着发电机及其中性点设备的安全运行。在该站投运之初，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I0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I0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如图1所示。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图1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。

2 谐波电流分析

发电机中性线不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。从图1中我们可以看出，这是一个较明显的平顶波，含有较大的三次谐波电势分量。若仅存在谐波电势而没有相应的通路或这个通路上有较大的阻抗时则不会产生较大的谐波电流。

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，这个阻抗值是较大，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kW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80mΩ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都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。这就是运行中小型发电机组产生中性线电流并且增大的原因。

3 抑制措施

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。兴义市兴西湖管理所枫洞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。