电站运行中性线电流过大的危害与对策

　　引 言

　　本文将根据永顺县小溪乡杉木溪村的杉木溪电站的实际情况，分析杉木溪电站运行情况，详细阐述杉木溪电站中性线电流过大的原因，并且针对这一问题提出相应的解决对策。

　　1 杉木溪电站概述
　　
　　杉木溪电站位于永顺县小溪乡杉木溪村， 距酉水河主河道 1.5km,杉木溪电站集雨面积 22.5km2,设 计 水 头 38m,运 行水头 32~46m,装机容量 2×250kW 共 500kW,水库库容约 100万 m3.

　　杉木溪电站 2007 年开始动工建设，2009 年主体工程完工。 电站发电机出口电压为 400V,采用三相四线制，发电机至变压器低压侧中性线在发电机机旁盘处作接地连接， 发电机母线采用单母线接线方式， 两台发电机分别经出口开关接入400V 发 电 机 母 线 ,再 通 过 主 变 压 器 （容量 为 630kVA）升 压 至10kV, 经 10kV 高压熔断器接入 10kV 线路， 电能送入 15km外的明溪口变电站，接入电网。

　　1.1 10kV 线路情况

　　杉木溪电站至明溪口变电站 10kV 线路长约 15km,此10kV 线路供小溪乡各村用电，与各农村台变形成供电用电网络。 小溪乡属国家级自然保护区，10kV 线路沿途环境复杂，高山林密，线路未经过农电改造，一遇下雨，经常跳闸。
　　
　　1.2 杉木溪电站运行情况

　　杉木溪电站建成后，在开机并网后空载运行时，每台机组中性线电流在 90A 左右，负荷加到额度负荷运行时，每台机组额度电流为 390A,一号机中性线电流 132A,二号机中性线电流 149A,发电机母线至变压器中性线电流为 281A,远超过国家规定的中性线电流不能超过线电流 25%的规定， 曾出现过发电机机旁盘中性线接地接头处发热发红情况， 只好临时加大中性线线径的办法解决。

　　2 中性线电流过大的原因

　　很多小型水电站将发电机的中线点直接引出， 接在公共中性线上， 然后再与主变压器低侧中性点共用一个接地装置接地。 很容易对发电机以及主变压器的正常运行造成不利影响。 为了彻底解决杉木溪电站中性线电流过大的问题，需要分析中性线电流产生的原因。 通过分析，导致中性线电流过大的原因如下：

　　（1）发电机出口电压为 400V,采用 三 相 四 线 制 供 电 ,发电机母线处接入的站用电， 由于站用电负荷不平衡而产生了中性线电流。

　　（2）发电机三相绕组中的 3 次及 3 的倍数次谐波电势，在发电机并网运行后，一部分通过发电机三相相线、变压器低压绕组、变压器中性点、中性线与发电机中性线形成回路，产生的 3 次及 3 的倍数次谐波电流（以下统称为谐波电流），三相谐波电流在中性线上叠加，形成 3 倍的谐波电流，加大了中性线电流；另一部分（两台机组并网情况下），通过发电机母线、两台机组相线、绕组和中性线形成回路，谐波电流在两台机组相线、绕组和中性线内流动，形成环流。

　　（3）机组在并网发电运行后，电站与变电 站 距 离 15km,此范围内只有这一条 10kV 线路供小溪乡全乡用电， 环境复杂，10kV 线路沿途供各农村自然村，农村用户三相负荷分配极不平衡，导致发电机、变压器负荷严重不对称，产生了较大的中性线电流。

　　3 中性线电流的影响与危害

　　3.1 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， 并且以中性线电流的形式表现出来。 电流从发电机定子绕组及主变压器低压线组中经过，会造成较大损耗，从而使得变压器和发电机的温度升高，影响其共组效率。

　　三次谐波电流在通过发电机绕组时会产生额外损耗，另外，高次谐波磁通过有关金属部件、机座、外壳形成回路时还会产生附加铁损。 因此，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，导致主变压器、发电机、中性线的温度迅速升高。 特别是夏季高温时期，主变压器温度的快速升高会明显超出规程要求（允许温升值为 55℃），这样会导致变压器迅速老化。 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，造成水资源浪费

　　三次谐波电流仅在低压侧作环流循环流动， 并未输入电网，但是由于发电机的定子绕组的额定电流值是定值，因此这一环流在定子绕组中通过， 会造成发电机的真正输出容量的减少。 否则，发电机将出现过负荷运行工况，导致发电机利用率降低，水量充足时，会产生大量弃水。 对此，可以采用提高发电机运行功率因数值的方式来抢发更多的有功功率， 减少弃水的产生。

　　4 解决办法及效果评价

　　通过上述中性线电流产生的原因分析，在发电机、变压器组成的 400V 系统内，发电机中性点和变压器低压侧中性点用中性线相连接主要作用：①给站用 220V 负荷提供电源；②在400V 系统运行中出现其中一相发生金属性接地故障时，另外两相电压对地升高至 400V,中性线电压升高为 220V,短路电流保护开关能迅速切除故障设备， 另外两相和中性线电压不致升高，保护人身和设备安全。 因此，只要阻断发电机和变压器低压侧中性线电流回路， 就可以解决运行中中性线电流过大的问题。 具体解决办法如下：

　　4.1 一次接线改变

　　发电机中性线从发电机引出后，在发电机机旁盘处解开，不接地也不与变压器低压侧中性线连接； 变压器低压侧中性线从变压器低压侧中性点引至发电机机旁盘处接地， 站用电从发电机机旁盘处的发电机母线上取得 400V、220V 电源。

　　由于 2 台发电机中性线没有接地， 发电机不提供给站用电供电，电站站用电主要靠外来电源提供，考虑到此电站发电机母线除站用电外无直供负荷，在发电机停机期间，属于关门无人值守，因此也无需用电。 厂房内漏水很小，一年内大多数时间也不需要排水，因此，电站只配备了一台电动抽水泵和柴油机抽水泵作为备用，能满足防汛要求。

　　一次接线改变后，发电机并网运行期间，发电机三相与变压器低压侧三相相连接，通过变压器低压侧中性线接地；在发电机开机建立电压后至并网前中性点没有接地问题， 发电机外壳与基座、金属引水管道、蜗壳相连接，形成外壳接地，对人身安全没有影响，发电机开机建立电压后到并网时间很短，发生单相接地故障几率很小。

　　4.2 自动装置和设备接线改变

　　4.2.1 励磁装置发电机励磁装置三相励磁电源直接取自发电机侧三相电源，只需要把励磁三相电源中性线从原接线处解开，与发电机中性线连接即可。

　　4.2.2 同期并网装置杉木溪电站机组同期并网装置采用 DZZB-D 型微电脑并网装置，每台机组配置一台，此同期并网装置接线简单，第一对接线端子、第二对接线端子分别接系统侧、发电机侧同名相（这 里 直 接接 入同 名 相 400V 电 源 ,但 要 注意 不 得 接 反 ），第 三对接地空闲，第四对端子为合闸输出端子。

　　4.2.3 调速器系统杉木溪电站采用的是微机调速器， 系统侧频率接线不须改动， 发电机机频接线只要把原接地线改接至发电机中性线连接，不要接地即可。

　　4.2.4 发电机智能过压过流保护器杉木溪电站采用的是 KPT-6118 型过压过流保护器，保护器工作电压直接从系统侧获取 220V 电源，不用改变，发电机测量电压直接从发电机相电压获取，在此，需要从原来的中性线解开，与发电机中性线相连接，三相电流输入和其他接线不需要改变。

　　其他测量表计，如电压表、有功功率表、电能表，都是接入380V 电源，无须改动。 上述接线检查无误后，进行开机试验，检查调速器装置、励磁装置及同期并网装置、发电机智能过压过流保护器等装置运行情况，在检查同期并网装置时，先拉开发电机断路器靠母线侧隔离开关（发电机开关合上后，因其串联的隔离开关已经拉开，实际并没有与系统并列），进行并网操作，检查正确性。

　　试验正确无误后，进行机组并列操作。 机组并列完成后，不带负荷和带负荷进行实测， 每台发电机中性线电流小于0.2A,机旁盘至变压器中性线电流小于 0.8A,基本上为站用电使用时不对称的中性线电流。结果非常满意。同时机组运行期间，水轮发电机组推力轴瓦、径向轴瓦温度明显下降 2~3℃。

　　3 结 语

　　杉木溪电站运行中中性线电流过大会导致降低电站出力，造成水资源浪费以及引起额外损耗，因此可以采用一次接线改变方法或者自动装置和设备接线改变方法， 有效解决杉木溪电站运行中中性线电流过大问题。

　　参考文献
　　
　　[1]杨斌文。电力系统中谐波的危害与产生[J].电气时代，2009（02）：32~33.
　　[2]高 健，张艳军，卓 放，易 皓。有源滤波器补偿前后负载谐波电流变化的定量分析[J].电气传动，2012（10）：12~13.
　　[3]刘 聪，戴 珂，张树全，康 勇。并联型 APF 补偿电压源型非线性负载时谐波电流放大效应的研究[J].中国电机工程学报，2011（27）：156~159.