发电机零序电流过大原因

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。另

外应当说明，按规范的编写方式，对于有特殊要求的发电机，并未排除，即不禁止装设诸如逆功率或其它保护装置。自然，如无“特殊”可言，则应当按标准办事。

第3.0.2条本条说明保护出口动作方式。其中，“解列”适用于发电机外部短路故障保护和某些异常运行方式如失磁保护，保护出口动作于发电机断路器或母联(分段)断路器，不动作于灭磁开关，这样汽轮发电机组在运行中甩掉了基本负荷，但还可以带厂用电在定频率、额定电压下稳定运行，如果需要可以随时并网恢复供电。而“停机”不仅要断开发电机断路器，并且要动作于灭磁开关，还要停原动机。在发电机内部发生短路故障时，保护应动作于停机。在实际工程设计中，有时两种保护出口方式并存，有时只用一种，本章条文中有具体规定。

第3.0.3条本条说明对发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障应装设的保护装置。

作为发电机的主保护，对不同类型和特点的发电机应配置相应的

保护装置。对于1MW以上的发电机，规定应装设纵联差动保护；对于1MW及以下的发电机，根据不同情况选择下列保护中的一种：过电流、低电压、电流速断、低压过流、纵联差动保护等。

第3.0.4条关于发电机定子绕组单相接地的条文。

关于发电机定子绕组单相接地故障接地电流允许值，本规范定为4A。如果电机制造厂家给出了这个数值，则以制造厂数据为准，鉴于一般情况下，制造厂未规定发电机定子绕组单相接地故障接地电流允许值，所以参照原不电部标准《继电保护和安全自动装置规程》SDJ6-83表2.2.4，按发电机额定电压为6kV考虑接地电流允许值为4A。

发电机中性点有不接地、经消弧线圈接地或经电阻接地等接地方式，讨论发电机是否装设有选择性的接地保护，不考虑消弧线圈的补偿作用，因为消弧线圈有退出运行的可能，应按实际运行可能出现的单相接地电流值是否大于允许值确定。“对于发电机变压器组应装设保护区不小于90%的定子接地保护”的规定，电力系统各部门多年来都是按此执行的。

第3.0.5条关于发电机匝间短路装设横联差动保护的规定。 如第3.0.1条的说明所述，发电机横联差动保护构成简单，动作安全可靠，在有条件的时候应装设横联差动保护。当没有条件装设横联差动保护时，主要是指发电机中性点侧没有并联分支引出线，规范不要求装设其它专用发电机匝间短路保护。

第3.0.6条对发电机后备保护配置和定值整定作了规定。 所提出的三个后备保护方案，一般说满足了小型发电机各种接线方式或系统参数情况下对后备保护的要求，不需要装设距离保护作为后备保护。具体工程设计选择方案时，应首先考虑相对地最简单的过电流保护，其次是低电压起动的过电流保护，或者复合电压起动的过电流保护。

后备保护宜带二段时限，首先跳母联或分段断路器，之后以第二个时限动作于停机。这个保护出口跳闸方案在小型电厂或变电所是适用的，首先将母线解列，使没有故障的系统立即恢复正常运行，可以有效地避免跳开所有的发电机。

对于自并励发电机，考虑到发电机及引出线上的短路故障在持续一段时间如一秒钟左右，发电机短路电流会有不同程度的下降，不宜用一般的过电流保护作为后备，可采用低电压保护的过电流保护作为后备保护。

第3.0.7条本条规定发电机应装设定子绕组过负荷保护。 关于过负荷，发电机有几种情况，有词应予以区别、习惯上称发电机过负荷系指发电机出力超额定值；发电机定子绕组对称过负荷系指发电机正序电流值超过额定值；发电机转子表层过负荷系指发电机定子绕组负序电流超过允许值；还有发电机励磁绕组过负荷。应当说明的是发电机过负荷可能是由于发电机定子绕组过电流产生的，也可能不完全是由过电流引起的，而是由于电流、电压或功率因数升高综合作用的结果。本条所谓发电机定子绕组过负荷系指发电机定子绕组电流超过额定值的情况。从继电保护方面看，为保护定子绕组对称过负荷，保护装置接一相电流即可。各相电流的不对称性用负序电流的大小来衡量，容量较大的发电机才需单独装设负序过负荷保护。

第3.0.8条本条规定对水轮发电机应装设定子绕组过电压保护。而对汽轮发电机规范不规定装设定子绕组过电压保护。

第3.0.9条对发电机励磁回路接地故障，规范规定根据不同情况应装设一点或二点接地故障保护装置或定期检测装置。

励磁回路保护，对于汽轮发电机和水轮发电机的要求是不一样的。 汽轮发电机可装设绝缘检查电压表，作为一点接地故障定期检测装置；对两点接地故障应装设二点接地保护装置。而对于水轮发电机，由于水轮发电机都是多级机，一旦励磁回路发生二点接地故障，除了励磁绕组被短路将产生很大的短路电流之外，还有一个更为严重的问题就是产生强烈的振动。因此一般只装设一点接地保护，保护动作于信号。发生励磁回路一点接地后，值班员应尽快安排停机，避免发生第二点接地短路。对于1MW及以下的水轮发电机可只装设一点接地故障定期检测装置。

第3.0.10条对发电机的失磁故障应装设失磁保护的规定。 所谓失磁故障一般理解为励磁电流异常下降或完全消失的故障。

规定当采用自并激式半导体励磁系统时，而且发电机是不允许失磁运行或根据电力系统稳定条件不允许异步运行时则应装设专用的失磁保护。规范不要求对采用自复激式、谐波励磁方式等励磁系统装设专用的失磁保护。当发电机采用直流励磁机励磁时，应有灭磁开关联跳发电机断路器的接线，不要求装设专用的失磁保护。

第四章电力变压器的保护

第4.0.1条本条列举电力变压器的故障类型及运行方式，以便装设相应的保护。

第4.0.4条本条对变压器的纵联差动保护提出了具体要求。 一、关于差动保护的整定值问题。

过去变压器采用带速饱和差动保护装置，整定值要躲开电流互感器二次回路断线、励磁涌流和外部故障不平衡电流值，一般灵敏系数较低。特别是变压器匝间短路(这是常见的故障)时灵敏系数更低。目前晶体管纵联差动保护对变压器各侧均有制动，如不考虑电流互感器二次回路断线情况，整定值可以降低，以提高灵敏性。但当整定值小于额定电流时，应尽量不在差动回路内连接其它元件，以减少或防止电流互感器二次回路故障的可能性。

二、关于差动保护使用变压器套管电流互感器的问题。

变压器高压侧使用套管电流互感器而不另装互感器，具有很大的经济价值，按电力变压器国家标准规定，在63kV和110kV级容量分别为8000kVA和6000kVA 及以上的变压器才供给套管型电流互感器。但当差动保护使用变压器套管电流互感器时，则变压器该侧套管或引线故障相当于母线故障，将切除较多的系统元件或使切断的时间过长。而目前国内变压器高压侧套管引线的故障，在变压器总故

障次数中所占比例还是不少的；另外，套管电流互感器的组数是三组，安排起来比较紧：差动保护用一组，母线保护用一组，后备保护就要和仪表共用一组。一组互感器上连接元件过多，不仅负担可能过大而且降低了可靠性。此外变压器电流互感器试验时也存在一些困难，例如无法通入大电流做变比试验。

根据上述情况，条文规定差动保护范围一般包括套管及其引出线，

即一般不使用变压器套管电流互感器构成差动保护。仅在某些情况下，例如63kV和110kV电压等级的终端变电所和分支变电所；63kV和110kV变压器高压侧未装断路器的线路变压器组，其变压器容量分别为8000kVA和16000kVA及以上时，才利用变压器套管电流互感器构成差动保护。

此外，当变压器回路一次设备由于检修或其它原因退出运行而用旁路回路代替时，作为临时性措施，差动保护亦可利用变压器套管电流互感器。

第4.0.5条本条对由外部相间短路引起的变压器过电流应装设的保护装置作了规定。过电流保护装置的整定值应考虑变压器区外故障时可能出现的过负荷，而不能按避越变压器的额定电流来整定。

第4.0.6条～第4.0.7条目前运行的双线圈变压器和三线圈变压器的外部短路过电流保护一般比较复杂，设计和运行单位普遍提出应该驾简化。但在具体工程设计时，由于对一些很少机会出现的故障情况考虑过多，往往还是得不到简化。因此条文中集中各地的意见和经验提出了简化原则和保护的具体配置原则。

第4.0.8条本条是直接接地电力网中关于中性点直接接地变压器零序电流保护的规定。指出双线圈及三线圈变压器的零序电流保护应接于中性点引出线的电流互感器止，这种方式在变压器外部和内部发生单相接地短路时均能起保护作用。

第4.0.9条本条对经常不接地运行的变压器采取的特殊保护措施作了明确规定。

110kV直接接地电力网中低压侧有电源的变压器，中性点可能直接接地运行，也可能不接地运行。对这类变压器，应当装设反应单相接地的零序电流保护，用以在中性点接地运行时切除故障；还应当装设专门的零序电流电压保护，用以在中性点不接地运行时切除故障。保护方式对不同类型的变压器又有所不同，下面分别予以说明。

一、全绝缘的变压器。

当变压器低压侧有电源且中性点可能不接地运行时，还应增设零序过电压保护。全绝缘变压器为什么还要装设零序过电压保护?根据

《电力设备过电压保护设计技术规程》SDJ 7-79，对于直接接地系统的全绝缘变压器，内过电压计算一般为3(——最高运行相电压)。当电力网中失去接地中性点并且发生弧光接地时，过电压值可达到3.0，因此一般不会使变压器中性点绝缘受到损害；但在个别情况下，弧光接地过电压值可达到3.5，如持续时间过长，仍有损坏变压器的危险。由于一分钟工频耐压大于等于3.0，所以在3.5电压下仍允许一定时间，装设零序过电压保护经0.5s延时切除变压器，可以防止变压器遭受弧光接地过电压的损害。其次，在非直接接地电力网中，切除单相接地空载线路产生的操作过电压，可能达到4.0及以上。电力网中失去接地中性点且单相接地时，以0.5s延时迅速切除低压侧有电源的变压器，还可以在某些情况下避免电力设备遭受上述操作过电压的袭击。此外，当电力网中电容电流较大时，如不及时切除单相接地故障，有发展成相间短路的可能，因此，装设零序过电压保护也是需要的。

在电力网存在接地中性点且发生单相接地时，零序过电压保护不应动作。动作值

应按这一条件整定。当接地系数≤3时，故障点零电压小于等于0.6，因此，一般可取动作电压为180V。当实际系统中＜3时，也可取与实际值相对应的低于180V的整定值。

二、分级绝缘的变压器。对于中性点可能接地或不接地运行的变压器，中性点有两种接地方式：装设放电间隙和不装设放电间隙。这两种接地方式的变压器，其零序保护也有所不同。

1. 中性点装设放电间隙。放电间隙的选择条件是：在一定的值下，躲过单相接地暂态电压。一般≤3，此时，按躲过单相接地暂态电压整定的间隙值，能够保护变压器中性点绝缘免遭内过电压的损害，当电力网中失去接地中性点且单相接地时，间隙放电。

对于中性点装设放电间隙的变压器，要按本规范4.0.9条的规定装设零序电流保护，用于在中性点接地运行时切除故障。

此外，还应当装置零序电流电压保护，用于在间隙放电时及时切除变压器，并作为间隙的后备，当间隙拒动时用以切除变压器。

零序电流电压保护由电压和电流元件组成，当间隙放电时，电流

元件动作；拒动放电时，电压元件动作。电流或电压元件动作后，经0.5s时限切除变压器。

零序电压元件的动作值的整定与本条第一款零序过电压保护相同。 零序电流元件按间隙放电最小电流整定，一般取一次动作电流为100A。

采用上述零序电流保护和零序电流电压保护时，首先切除中性点接地变压器，当电力网中失去接地中性点时，靠间隙放电保护变压器中性点绝缘，经0.5s延时再由零电流电压保护切除中性点不接地的变压器。采用这种保护方式，好处是比较简单，但当间隙拒动时，则靠零序电流电压保护变压器，在0.5s期间内，变压器要随内过电压，如系间歇电弧接地，一般过电压值可达3.0，个别情况下可达3.5，变压器有遭受损害的可能性。

2. 中性点不装设放电间隙。对于中性点不装设放电间隙的变压器，零序保护应首先切除中性点不接地变压器。此时，可能有两种不同的运行方式：一是任一组母线上至少有一台中性点接地变压器，二是一组母线上只有中性点不接地变压器。对这两种运行方式，保护方式也有所不同。

当任一组母线上至少有一台中性点接地变压器时，零序电流保护也是由两段组成，与本规范4.0.8条的不同之处，是Ⅰ段只带一个时限，仅动作于断开母线联络断路器；Ⅱ段设置两个时限，较短者动作于断开母线联络断路器，较长者动作于切除中性点接地的变压器，这点仍与本规范4.0.8条相同。此外，还要装设零序电流电压保护，它在中性点接地变压器有零序电流、中性点不接地变压器电压保护，它在中性点接地变压器有零序电流、中性点不接地变压器没有零序电流和母线上有零序电压的条件下动作，经延时动作于切除中性点不接地的变压器。零序电流电压保护的时限与零序电流保护Ⅱ段的两个时限相配合，以保证先切除中性点不接地变压器，后切除中性点接地变压器。零序电流Ⅰ段只设置一个时限，而不设置两个时限，是为了避免与零序电流电压保护的时限配合使接线复杂化。当一组母线上只有中性点不接地变压器时，为保护首先切除中性点不接地运行的变压器，则不能用

上述首先断开母线联络断路器的方法。在条文中规定，采用比较简单的办法：反应中性点接地变压器有零序电流；中性点不接地变压器没有零序电流和母线上有零序电压的零序电流电压保护，其动作时限与相邻元件单相接地保护配合；零序电流保护只设置一段，带一个时限，时限与零序电流电压保护配合，以保证首先切除中性点不接地变压器。

当一组母线上只有中性点不接地变压器时，为了尽快缩小故障影响范围，减少全停的机会，若也采用首先断开母线联络断路器的保护方式，则将在约0.5s 的时间内，使中性点不接地变压器遭受内过电压袭击，这与中性点装设放电间隙而间隙拒动的情况类似(只是后者机率小一些)。为设备安全计，在条文中没有推荐采用这种保护方式。

测量母线零序电压的电压元件，一般应比零序电流元件灵敏，但应躲过可能出现的最大不平衡电压，一般可取5V。

为了测量中性点接地变压器的零序电流，各变压器的零序电流电压保护之间有横向联系，这降低了可靠性，已有导致误动作的事例。为消除这一横向联系，可以测量不接地变压器负序电流的负序元件，代替测量接地变压器零序电流的方式，但这种方式尚无采用者，故在修改条文中没有列入。

第4.0.14条按电力变压器国家标准GB 1094-71第20条“强迫油循环风冷，强迫油循环水冷的变压器，当发生事故切除冷却系统时(对强油循环风冷的，指停止风扇及油泵，强油循环水冷的，指停止水及油循环)，在额定负荷下允许的运行时间：当容量为125MVA及以下时为20分钟，以上时为10分钟。”按上述规定，油面温度尚未到达75℃时，允许上升到75℃，在允许的时间内保护装置动作应作用于信号；当超过允许的时间时，保护装置动作应作用于跳闸，将变压器断开。

按电力变压器国家标准GB 6541-86规定，800kVA及以上的变压器，应装有压力释放装置，当内部压力达到0.5标准大气压时，应可靠释放压力。当厂家配套供应压力释放装置并有接点引出时，应增加压释放装置作用于信号或动作于跳闸的保护。