摘要：中性点消弧线圈控制装置故障导致误补偿引起的同步发电机机端电压波形畸变及过电压分析、处理。
[关键词] 中性点 消弧线圈 误补偿 波形畸变 过电压
1、引言
现代电力系统中电压、频率、谐波是衡量电能质量的三个最基本的必要指标，理想的电压波形是三相对称、周期性的正弦波。通常情况下电压和频率在运行过程中都是实时监视和控制的，但是作为衡量电能质量重要指标之一的谐波却缺乏应有的关注度和实时监控手段。
为防止发电机在运行过程中产生高次谐波，特别是三次谐波，对继电保护和发电机本身的影响，发电机在设计和制造过程中都有着严格的制造标准和工艺要求，同步发电机定子绕组无一例外地采用了三相星型接线方式，主要目的就是防止三次谐波的产生，使电压波形更接近于理想的三相正弦波，从而在发电环节确保电能质量。
大中型同步发电机靠近中性点侧单相接地短路或间隙性接地故障时对地电容电流一般均超过5A，对发电机的安全运行构成严重威胁，为限制同步发电机发生接地短路或间隙性接地故障时的电容电流，减小接地短路电流燃弧对发电机组绕组和铁芯的破坏，在国内大中型同步发电机组中性点较多地采用消弧线圈接地方式进行补偿，但同时也为三次谐波的产生创造了条件。
2、概述
新疆库什塔依水电站总装机容量100MW（2×15MW+2×35MW），35MW水轮发电机组采用全绝缘设计，发电机电压回路对地电容电流值经校核为5.53A，超过允许值5A。为保证供电可靠性，减小发电机靠近中性点侧接地短路电流引起燃弧对机组绕组和铁芯的破坏，故其中性点采用经消弧线圈补偿的接地方式。
3、电压波形畸变及过电压原因分析
3.1主要参数及动作整定值
该水电站两台35MW机组中性点均为消弧线圈接地方式，发电机出口电压10.5kV，发电机额定电流2264A，功率因数0.85滞后。发电机配置了一套WFBZ-1型故障录波装置、两套国电南自生产的SDG832、SDG833微机保护装置（一台差动主保护、一台后备保护）。消弧线圈补偿控制装置采用保定浪拜迪生产的LBD-PXB3000型偏磁式消弧线圈控制装置，装置工作电源为AC220V，补偿方式为全补偿。补偿装置启动定值：中性点电容电流大于等于5A，机端线电压低于70V。
3.2动作过程及现象
2014年8月18日1号机组带有功35.2MW，无功3MVar负荷运行，01时00分00秒，监控后台发1号机故障录波启动信号，现场检查为“1号发电机过激磁启动”、“1号发电机相电压突变量启动”、“1号发电机零序电压过量启动”，在后续的1个小时内，该录波信号间歇性地重复发出，但发电机保护装置却没有启动、告警。录波波形如下图所示：
3.3原因分析
为了防止过电压等对机组绝缘的损坏，2014年8月18日11时02分，在电网低谷期申请1号机组由运行转为检修，随后对机组进行了全面的检查。
（1）从波形上分析，1号发电机出口三相端电压有了明显的畸变，且相电压值从额定的57.7V抬升至68.9V，机端零序电压从理想的一条直线（0值），变为正弦波，其最大有效值达到了58.22V，且为同一相位。从波形上分析为高次谐波，且同相位的三次谐波分量占95%以上。1号主变高压侧电压波形正常，低压侧电压波形同样出现明显的畸变现象，且与1号发电机出口电压波形一致。用谐波分析软件作进一步分析，验证了导至1号机组出口三相电压波形畸变的根源确为三次谐波。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆谐波分析波形图如下图所示：
（2）调取录波装置故障波形并结合机组保护装置未发出任何启动和告警的现象分析，发电机保护装置未设过激磁保护，设置有定子过电压保护，瞬时动作。经核算故障录波启动时1号发电机机端线电压值为：68.9×1.732=119.33V，而发电机保护装置定子过电压为额定线电压的1.2倍，即120V，故障录波启动时机端电压恰好未达到保护装置过电压启动的动作定值，发电机过电压保护未动作，但此电压值却达到了录波装置的启动定值（启动值为1.1倍的Un线值）；从波形及有效值分析，机端零序电压3U0达到了58.16V（均为三次谐波值），发电机设有定子接地保护，但接地保护却未动作，经查证保护装置说明书及定值发现，该保护装置定子接地保护原理利用基波零序电压作为定子接地保护动作的必要条件，定值为基波零序电压10V,延时0.2S，三次谐波零序电压不作为定子接地判据，故说明机端电压畸变抬升过电压、产生较大的三次谐波零序电压后发电机故障录波装置启动而保护装置过压保护、定子接地保护未动作是正确的。
（3）根据原理可知道，TV一次断线故障、手车不到位等情况均会引起零序电压和三次谐波的产生，因此着重对1号机组机端出口TV一次侧、二次侧是否存在断线、虚接，手车是否到位等进行了检查，未发现存在异常。
（4）发电机定子接地故障时，会产生较大的零序电压3U0和三次谐波电压，故障点越靠近机端三次谐波电压越小，越靠近中性点处越大，为此根据上述现象对发电机定子本体、中性点进行了绝缘试验、直阻等检查，未发现异常，经过上述检查，说明了发电机组本身及保护、录波系统等无故障。
（5）重新分析录波波形和系统的接线方式，用排除法逐一对系统中可能产生三次谐波的设备进行排除，将故障源锁定在了发电机中性点消弧线圈上。在检查消弧线圈控制柜时发现，1号机组在停机态、机组各项电气参数为零值的情况下，消弧线圈控制装置励磁电流表指针有瞬时跳动现象。经对消弧线圈控制装置初始化观察，结合其工作原理，初步判定为消弧线圈控制装置故障误补偿电感电流而引起正常运行的机组中产生非常大的三次谐波，进而引起了机端电压的严重畸变和过电压现象。
4、处理方法
根据现象全面检查发现，消弧线圈控制装置中主板控制芯片U64有较严重的腐蚀现象，导致无法准确测量机端电压，装置逻辑判断错误触发补偿了电感电流，引起了发电机机端电压的抬升和波形的严重畸变。此时问题的现象和原因已经明确，经更换装置主板后，机组开机并网运行电压值、波形恢复正常，连续运行未出现机端电压抬升和波形畸变的现象，故障得以排除解决。
5、预防措施
发电机中性点消弧线圈是电力系统的一个重要元件，其工作的可靠性对发电机组的安全稳定运行，尤其是提高发电机单相接地时的供电可靠性，降低发电机单相接地时的容性电弧电流对定子铁芯和绕组的烧损，起着至关重要的作用。为防止类似事件发生,应采取以下三项措施：
（1）加强对发电机中性点消弧线圈及其控制装置的日常巡视和维护工作。
（2）结合设备检修等定期对发电机中性点消弧线圈控制装置进行试验和采样分析，确保控制装置安全可靠。
（3）全面检查发电机保护装置和中性点消弧线圈控制装置的定值，并进行定值核算，确定正确合理的补偿方式（欠补偿、全补偿、过补偿），保证发电机保护装置和中性点消弧线圈控制装置配合理。
6、结语
近年来，电力系统对电能质量的要求越来越高，发电机电压波形畸变过电压引起的发电机绕组绝缘破坏的事件时有发生，对发电企业造成了极大的损失，同时也对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁，加强对发电机保护装置和中性点消弧线圈控制装置运行过程中的日常巡查、维护和定期试验工作，将会对发电机组的安全可靠运行起到积极的作用。
参考文献：1、LBD-PXB3000磁式消弧线圈控制装置技术说明书，保定浪拜迪电气股份有限公司；
2、SDG832、SDG833微机保护装置说明书，国电南自自动化股份有限公司；
3、电力系统分析基础，韦钢著；
4、电能质量分析方法，刘军成著。
作者简介：陈均林，男，1980年生，电力系统及其自动化专业，本科学历，助理工程师，从事电力生产运维及管理工作。
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论文作者:陈均林
论文发表刊物:《科技新时代》2018年9期
论文发表时间:2018/11/16
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