发电机出口谐波电压超标原因分析

发电机出口谐波电压超标原因分析

杨正中 1 ，严鹏 1 ，孙桢昱 1，吴丹 1

（ 1.华能南京电厂，江苏 南京 210035）

【摘要】通过对某电厂2号发电机大修后启动升压过程中出口电压出现谐波电压超标进行分析，得出发电机机端PT中性点必须可靠接地，否则将在发电机PT二次侧产生大量三次谐波电压，将造成100%定子接地保护误动，且进一步来说，当机端PT自产3U₀大于8V，将造成机端PT断线误动作从而闭锁发电机后备保护的严重后果。

【关键词】发电机；三次谐波；PT；中性点；接地

0 引言

常见大型发电机定子接地保护最常见的有基波+三次谐波定子接地保护。其中基波零序电压保护机端至中性点85%~95%区域的定子绕组单相接地故障，也称95%定子接地保护；三次谐波定子接地保护中性点至机端15%~30%区域的定子绕组单相接地故障，也称100%定子接地保护。

根据DL/T 684大型发电机变压器继电保护整定计算导则要求，基波零序电压保护动作于停机；而三次谐波定子接地保护则动作于信号。

1存在的问题

某电厂320MW级2号机组投运时间为1994年10月。2021年8月2号发电机完成大修，修复了定子线圈、定子铁芯、转子护环、更换了出口PT、CT。8月17日7时， 2号发电机进行空载升压试验，当发电机机端电压升至9500V左右，发变组保护A、B盘报“三次谐波定子接地保护报警动作”，如图1所示。

图1 三次谐波定子接地保护报警波形

就地检查发电机中性点，未发现绝缘异常。继续缓慢升压至发电机额定电压20000V，升压过程中发电机中性点电压基本无变化，幅值最大升至0.8V；发电机机端开口三角电压明显上升，在发电机额定电压时升至8V，来“PT断线报警”。手动录波，能从波形中明显看出三次谐波波形；且PT星形侧波形也开始发生形变，出现三次谐波尖波趋势，三次谐波分量为基波分量7%左右，如图2所示。

图2额定电压时发电机机端PT波形

2 引起机端电压波形畸变的可能因素

因该电厂2号发电机出现电压波形畸变是在启机升压过程中，并未带任何负载，因此不考虑负载因素。同步发电机定子线圈采用合理的布置方式可大量减少5次谐波和7次谐波，发电机采用的星形接线方式可消除3次谐波的影响，一般情况下，由同步发电机产生的谐波非常小，结合该厂2号发电机出口一次系统图（见图3），考虑到该厂2号发电机大修过程中更换了定子线圈，更换了发电机中性点接地压变TV5，更换了TV1、TV2、TV3。进一步分析得知：首先，在更换定子线圈过程中，并没有改变原先的线圈位置的空间分布，且采取了短距和分布绕组等抑制谐波措施，因此由定子线圈绕组三相不对称引起发电机出口电压不平衡的可能性较低；其次，在额定电压时机端的三次谐波明显大于中性点的，符合发电机中性点接地的现象，但经过现场复查后，未发现发电机中性点任何绝缘异常；最后，考虑到电压互感器接线方式和自身特性会影响机端谐波电压测试结果，所以初步判断由电压互感器自身特性及接线方式造成该电厂发电机出口PT电压畸变的可能性较大。

图3 发电机出口一次接线图

3机端电压波形畸变原因判定

电厂2号发电机出口设有三组电压互感器（TV1，TV2，TV3），见图3。

经过对现场一次系统的全面检查，发现TV1、TV2、TV3三组压变的中性点均未接地，在将三组压变中性点全部接地后，重新升至额定电压进行测量，发现三次谐波分量正常，机端电压波形无畸变。

3.1电压互感器三次谐波的产生

PT正常工作时，在50Hz交变电磁场作用下，会产生磁滞现象，往往能够观察到波形畸变，这是由于互感器本身特性决定的。

设PT原边电压即发电机电压为正弦波：

不计绕组电阻，此时铁芯磁通为：

将激磁电流与磁通的关系用 表示后，进行展开，并取前三项得到：

从上式可以看出，若PT工作在磁化曲线非线性部分的话，那么在激磁电流中除基波外还将产生以三次谐波为主的高次谐波。

除了上述复杂的数学公式，也可以换一种简单的理解方法：由于PT铁芯材料存在磁滞回线，如图4所示:

图4硅钢材料典型B/H曲线

当PT工作在图3中b至e点时，铁芯磁通密度尚未饱和，PT工作磁化曲线可视为线性，此时PT励磁电流可以看作正弦波，互感器二次侧三次谐波含量不高。以本次电厂升压异常现象为例，从图6可以看出，当发电机机端电压升至9500V时，发电机机端PT电压中三次谐波分量为基波分量为2.6%左右，幅值大约为0.8V，远远小于图2中升至20000V额定电压时的3.85V。

图6机端电压为9500V时发电机机端PT波形

与CT相反，PT工作在额定电压时时的磁通密度接近于饱和，也就是说当发电机机端电压升至额定，此时发电机机端PT必然工作在图3中a至d点，铁芯磁通密度饱和，PT工作磁化曲线视为非线性，励磁电流出现谐波，特别是三次谐波，从而使得波形表现出尖顶，正如图7所示。

图7铁芯饱和时磁通Φ、一次电动势E、与励磁电流 关系图

3.2外回路对三次谐波的影响

虽然发电机在额定电压工作状态下本身会产生三次谐波电压，但在正常运行时，在发电机机端PT二次侧却并没有多少三次谐波分量，更不会影响相电压波形产生畸变，这是由于外回路对地阻抗的原因。

发电机、封闭母线等一次高压设备对地电容、发电机中性点接地变接地阻抗构成了三次谐波电流通路，因此发电机机端PT二次侧三次谐波分量将发生变化。

图8发电机机端PT三次谐波电流分布图

如图8（a）所示，当发电机机端PT绕组一、二次接线正确时，尽管励磁绕组存在三次谐波电压源，但是通过接地点和地网，将发电机中心点与PT绕组一、二次连在了一起，为三次谐波电流形成了通路，从而大大降低了三次谐波对PT产生的影响。

在本次升压异常事件中，由于发电机机端PT绕组一次侧未接地，发电机三次谐波分布如图8（b）所示，无法形成通路，那么发电机机端PT励磁绕组中的三次谐波电压源将叠加在PT二次侧及发电机中性点，从而对PT生成波形产生严重影响。

4 结论

发电机机端PT中性点必须接地，否则PT在正常运行过程中产生的三次谐波电压将全部叠加在二次侧，导致保护装置中电压波形严重失真，会造成100%定子接地保护误动；且进一步来说，当机端PT自产3U0大于8V时，还将造成机端PT断线误动作，从而闭锁发电机后备保护的严重后果。

参考文献：

[1]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]陈继武，罗亚桥.PT一次中性点接地对谐波测试的影响[J].安徽电力，1994（4）：18-19.

[3]尹柏清，南思博，杜继强，张一帆.发电机出口谐波电压超标原因分析[J].内蒙古电力技术，2011（5）：21-23.