淺談輸電線路非全相運行對發電機的影響

吳海斌

摘要：本文針對發電機并網線路發生不對稱運行時，由于電網聯系方式的薄弱，不能將發電機立即解列，在有負序電流的情況下發電機持續運行會有哪些問題進行了分析，并用對稱分量法詳細分析了一相和兩相線路斷開情況下影響負序電流大小的因素，為發電機在系統非全相情況下持續運行提出了可行性的措施。

關鍵詞：非全相；對稱分量法；負序電流

中圖分類號： C35 文獻標識碼： A

1、引言

發電機作為將其他能源轉化為電能的設備，不僅在電力行業中起著至關重要的作用，對整個人類社會也有重大的意義。伴隨著現代文明的不斷進步，人類社會對用電的可靠性要求也越來越高，因此對發電機的安全持續運行也提出了更高的要求[1]。

發電機在正常運行時只有正序電勢，并沒有負序和零序電勢。但是發電機發生不對稱運行時，一般情況下都是由于電力系統的不對稱運行造成的[2-3]。

由于電力系統的不對稱運行造成發電機不對稱運行時，對發電機的影響主要體現在以下幾點：1、產生負序電流的磁場會以兩倍的同步轉速切割轉子，會在轉子鐵芯感應出2倍定子電流頻率的電流，由于電流的頻率高，受集膚效應的影響，電流會大量集中在轉子表面，從而使發電機的轉子局部過熱，并且有可能燒壞某些部位；2、由于負序電流的負序磁場以2倍的同步轉速相對于轉子旋轉，與正序磁場相互作用會在轉軸上產生兩倍定子電流頻率的脈動力矩，這個力矩會使發電機組產生振動和噪音[1]。

因此，要使發電機在系統不對稱運行時還能持續運行以便調度能夠盡快的調整方式以保證系統的持續供電，應盡可能的減小負序電流對發電機造成的不可逆影響。下面以對稱分量法[4]對系統發生不對稱運行時產生的負序電流進行分析。這里考慮發電機中性點接地的情況（中性點接地時有零序分量，不接地時不會有零序分量）。

2、對稱分量法分析負序電流的大小

2.1 一相線路斷開情況下的非全相運行

A相斷開、BC兩相運行時的非全相運行示意圖2-1所示：

圖2-1A相斷線

其邊界條件為=0，= =0，、并不是B、C兩相電壓在斷線處的突變量，是B、C兩相導線在斷線處亮點之間的電位差。

根據對稱分量法可以得到：

（2-1）

由式2-1可以得到：

（2-2）

因此可以將A相的各序網絡連接成如圖2-2所示的復合序網絡：

圖2-2A相斷線時的復合序網絡圖1

圖2-3A相斷線時的復合序網絡圖2

由圖2-2可以得到：

（2-3）

（2-4）

由圖2-3可以得到：

（2-5）

式中為斷線處兩點向系統看進去的綜合電動勢，、、為斷線處兩點向系統看進去的綜合正序、負序和零序阻抗。其中、、。

2.2 兩相線路斷開情況下的非全相運行

AB兩相斷開、C相運行時的非全相運行示意圖如圖2-4所示：

圖2-4AB 兩相斷線

其邊界條件為：

（2-6）

根據對稱分量法可以得到：

（2-7）

由式（2-7）可以解出：

（2-8）

因此可以將C相的各序網絡連接成如圖2-5所示的復合序網絡：

圖2-5AB兩相斷線時的復合序網絡圖

從圖2-5可以得出：

（2-9）

從式（2-9）可以看出，兩相斷線后會在斷線處出現零序和負序分量（在斷線處的兩側系統中性點均需接地才會有各序電流，只要有一側中性點沒有接地，各序電流就為零），其值與兩側等值電動勢相量差成正比。若兩側電動勢的相角差，兩側等值電動勢的幅值為，則根據圖2-6可以得到：

圖2-6相量圖

（2-10）

式中為斷線處兩點向系統看進去的綜合電動勢，其余同單相斷線時代表的各數值分量。

從式2-10可以看出：當從0°到180°之間變化時，斷線處的正序電流和負序電流都會發生變化，當=180°時，正序和負序電流達到最大值，當=0°時，正序和負序電流為零，相當于空載狀態下的斷線。

3、減小負序電流的措施

當電網發生非全相運行時，如果想讓發電機繼續向電網送電，就必須想辦法將負序電流控制在發電機能承受的范圍內，當然還需考慮繼電保護等相關設備的配合。

對于單相開關跳開的非全相運行，從式（2-4）可以看出，負序電流的大小跟正序電流的大小承正比關系，跟零序阻抗的大小成正比關系。至于負序阻抗，對于靜止元件來說（變壓器、線路、電抗器、電容器等），它們的負序阻抗都等于正序阻抗。因此要減小負序電流，一方面可以減小正序電流（這里的減小正序電流不包括減小正序故障電流分量，指的是正常的負荷電流分量），也就是減小通過的負荷電流即降低輸送容量的方法來解決；另一方面也可以通過減小零序電抗的方法來降低負序電流的大小。

對于兩相開關跳開的非全相運行：由式（2-9）可以看出：要減小負序電流，一方面要減小兩端系統之間的電勢差，即減小兩系統間的相角差，由于兩端一方是發電機、一方是電網，為了盡可能小的影響系統的正常運行，一般都會采取通過減小發電機原動機的輸出功率的方法，也就是相當于減小發電機的出力（減小輸送功率）來減小來解決，另一方面也可以加大電網的綜合阻抗來降低負序電流的大小。

因此在現代化的電網中，基于以上原因一般都會采取以下措施來降低發生非全相運行時產生的負序電流對發電機持續運行的影響：

1、對于單相斷線的非全相運行：

1）減小輸電線路的長度。如增加開關站，這對高電壓等級的輸電線路運行有很大的必要性；

2）增加并聯運行變壓器的臺數和線路回數；

3）增加變壓器中性點的接地點數量；

2、對于兩相斷線的非全相運行：

1）減小變壓器中性點的接地點數量；

2）發電機應盡量運行在35kV及以下的非直接接地的電網中。

4、結論

非全相運行是一種不正常的運行狀態，在實際的運行中應盡可能的避免。目前在超高壓電網中發電機并網開關都會裝有非全相保護，開關出現非全相運行時由保護動作跳閘解除發電機的非全相運行狀態。但是某些特殊的情況，例如開關非全相運行同時又發生分合閘閉鎖時，調度人員一般會采用倒母線或旁代的方式隔離異常開關，這種倒閘操作需要較長的時間，此時發電機非全相運行的持續時間會較長，發電機要長時間的承受負序電流對本身的影響，這就對發電機的制造工藝提出了更高的要求。

對于其他等級的高壓開關，僅有少部分裝有非全相保護。當然非全相運行除了由開關引起外，還會由輸電線路的一相或兩相斷線、刀閘一相或兩相觸頭接觸不好等原因引起。因此加強對線路、刀閘、開關及附屬設備的運行維護、運行監測也是避免發生不對稱運行的有效措施。

總而言之，當發生發電機非全相運行時，調度人員立即減小通過斷線線路輸送的潮流，如果系統滿足穩定運行的條件，則應立即停止異常設備的繼續運行。

參考文獻

[1] 王世禎.電網調度運行技術[M].沈陽：東北大學出版社，2000.

[2] 東北電業管理局調度通信中心.電力系統運行操作和計算[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1997.

[3] 國家電力調度通信中心.電網調度運行實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，2000.

[4] 國家電力調度通信中心.國家電網公司繼電保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2009.