发电机零序电流过大的原因分析 一、概述 不少小型发电厂，将发电机中性点引出接在一条公共的中性线上，再与主变压器低压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。三相电流大小相等，不一定完全代表三相平衡。只有三相负载类型相同，且三相电流大小相等才会是零线电流为零。比如说三相都是电阻负载（三相电阻炉），都是电容负载（补偿电容），或者三相电机。造成零线电流还有一个原因是三次谐波，三次谐波在零线上叠加，即使三相平衡，零线仍然有电流，但是此电流很小。 二、分析中性线电流过大的原因 小型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。 若电厂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转速特性、左右开度等不完全相同的工况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（变压器）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。 三、三次谐波电流的危害 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绕组中通过时，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。同时长期热效应必将加速电缆的绝缘老化，使电气设备运行寿命缩短。 3.1为了更直观地说明三次谐波电流所引起的额外损耗，现将一小型水电站作的一些测试情况作范例介绍如下。 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。 3.2 降低电站出力，造成资源浪费 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，并且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。 四、解决对策 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。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。 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。
4月2日设计院意见： 可能原因（1）负荷不平衡 （2）机组启动时有电感元件作用，如晶闸管 （3）系统谐振对本发电机组的冲击 因本厂用电负荷较小，负荷不平衡的原因并不能引起较大零序电流，故排除此原因。机组启动时由机组启动柜启动的，查看机组资料发现，电感引起的作用很小，不会超过相电流的20%，也排除第二种可能。 未有详细资料验证第三种原因，建议用专用检测设备检测机组运行时的零序电压。 原则上设计院人员同意如上做法，把零线拆除，低压用电由变压器中性线构成回路。具体做法设计院人员未给出解决方案。 以下关于发电机保护的设计规范 第三章 发电机的保护 第3.0.1条 本条说明对发电机的哪些故障及异常运行方式应装设相应的保护。 对于发电机定子绕组相间短路，字子绕组匝间短路和发电机外部的短路故障，应分别装设主保护和后备保护，对于定子绕组接地、过电压、过负荷，发电机失磁和励磁回路一点二点接地应装设异常运行保护，必要时还可以装设辅助保护。 对于发电机匝间短路按本规范第3.0.5条规定，在有条件装设横联差动保护的发电机应装设横联差动保护，以保护匝间短路，对于没有条件装设横联差动保护的发电机不要求装设专用匝间短路保护。按目前国产发电机设计情况，定子绕组为星形接线，有并联分支，在中性点有分支引出端子发电机有QF-3-2、QFK-3-2、QFG-3-2、TOC-6075/2、QF-25-2、QF-25-2、TQG-25-2等多种机型，有装设横联差动保护的条件。另外，匝间短路危害严重，统计表明在中小机组上发生匝间短路的频次也多，而横联差动保护构成简单，保护动作的安全可靠性好，可有效地保护发电机匝间短路和定子绕组断线故障，故规定在有条件时应装设横联差动保护。 本条之八，对励磁电流异常下降或消失称为失磁故障，符合习惯叫法，其保护继电器国内外部称作失磁保护，即要求失磁保护既保护发电机完全失去励磁，又保护部分失去励磁的故障。 关于逆功率保护，对于大型机组需要装设逆功率保护，而对于小型机组我国多年来的作法是，当主汽门关闭时，在主控制室给出声光信号，由运行值班员根据实际情况，做出判断处理，或重新挂闸送汽恢复运行，或跳开发电机主开关。也有一些工程采用主汽门掉闸联跳发电机主开关的作法。中小型机组这样处理方式一般说是合适的，并未发现造成某种严重后果，因此不必规定装设逆功率保护。