浅谈输电线路非全相运行对发电机的影响

吴海斌

摘要：本文针对发电机并网线路发生不对称运行时，由于电网联系方式的薄弱，不能将发电机立即解列，在有负序电流的情况下发电机持续运行会有哪些问题进行了分析，并用对称分量法详细分析了一相和两相线路断开情况下影响负序电流大小的因素，为发电机在系统非全相情况下持续运行提出了可行性的措施。

关键词：非全相；对称分量法；负序电流

中图分类号： C35 文献标识码： A

1、引言

发电机作为将其他能源转化为电能的设备，不仅在电力行业中起着至关重要的作用，对整个人类社会也有重大的意义。伴随着现代文明的不断进步，人类社会对用电的可靠性要求也越来越高，因此对发电机的安全持续运行也提出了更高的要求[1]。

发电机在正常运行时只有正序电势，并没有负序和零序电势。但是发电机发生不对称运行时，一般情况下都是由于电力系统的不对称运行造成的[2-3]。

由于电力系统的不对称运行造成发电机不对称运行时，对发电机的影响主要体现在以下几点：1、产生负序电流的磁场会以两倍的同步转速切割转子，会在转子铁芯感应出2倍定子电流频率的电流，由于电流的频率高，受集肤效应的影响，电流会大量集中在转子表面，从而使发电机的转子局部过热，并且有可能烧坏某些部位；2、由于负序电流的负序磁场以2倍的同步转速相对于转子旋转，与正序磁场相互作用会在转轴上产生两倍定子电流频率的脉动力矩，这个力矩会使发电机组产生振动和噪音[1]。

因此，要使发电机在系统不对称运行时还能持续运行以便调度能够尽快的调整方式以保证系统的持续供电，应尽可能的减小负序电流对发电机造成的不可逆影响。下面以对称分量法[4]对系统发生不对称运行时产生的负序电流进行分析。这里考虑发电机中性点接地的情况（中性点接地时有零序分量，不接地时不会有零序分量）。

2、对称分量法分析负序电流的大小

2.1 一相线路断开情况下的非全相运行

A相断开、BC两相运行时的非全相运行示意图2-1所示：

图2-1A相断线

其边界条件为=0，= =0，、并不是B、C两相电压在断线处的突变量，是B、C两相导线在断线处亮点之间的电位差。

根据对称分量法可以得到：

（2-1）

由式2-1可以得到：

（2-2）

因此可以将A相的各序网络连接成如图2-2所示的复合序网络：

图2-2A相断线时的复合序网络图1

图2-3A相断线时的复合序网络图2

由图2-2可以得到：

（2-3）

（2-4）

由图2-3可以得到：

（2-5）

式中为断线处两点向系统看进去的综合电动势，、、为断线处两点向系统看进去的综合正序、负序和零序阻抗。其中、、。

2.2 两相线路断开情况下的非全相运行

AB两相断开、C相运行时的非全相运行示意图如图2-4所示：

图2-4AB 两相断线

其边界条件为：

（2-6）

根据对称分量法可以得到：

（2-7）

由式（2-7）可以解出：

（2-8）

因此可以将C相的各序网络连接成如图2-5所示的复合序网络：

图2-5AB两相断线时的复合序网络图

从图2-5可以得出：

（2-9）

从式（2-9）可以看出，两相断线后会在断线处出现零序和负序分量（在断线处的两侧系统中性点均需接地才会有各序电流，只要有一侧中性点没有接地，各序电流就为零），其值与两侧等值电动势相量差成正比。若两侧电动势的相角差，两侧等值电动势的幅值为，则根据图2-6可以得到：

图2-6相量图

（2-10）

式中为断线处两点向系统看进去的综合电动势，其余同单相断线时代表的各数值分量。

从式2-10可以看出：当从0°到180°之间变化时，断线处的正序电流和负序电流都会发生变化，当=180°时，正序和负序电流达到最大值，当=0°时，正序和负序电流为零，相当于空载状态下的断线。

3、减小负序电流的措施

当电网发生非全相运行时，如果想让发电机继续向电网送电，就必须想办法将负序电流控制在发电机能承受的范围内，当然还需考虑继电保护等相关设备的配合。

对于单相开关跳开的非全相运行，从式（2-4）可以看出，负序电流的大小跟正序电流的大小承正比关系，跟零序阻抗的大小成正比关系。至于负序阻抗，对于静止元件来说（变压器、线路、电抗器、电容器等），它们的负序阻抗都等于正序阻抗。因此要减小负序电流，一方面可以减小正序电流（这里的减小正序电流不包括减小正序故障电流分量，指的是正常的负荷电流分量），也就是减小通过的负荷电流即降低输送容量的方法来解决；另一方面也可以通过减小零序电抗的方法来降低负序电流的大小。

对于两相开关跳开的非全相运行：由式（2-9）可以看出：要减小负序电流，一方面要减小两端系统之间的电势差，即减小两系统间的相角差，由于两端一方是发电机、一方是电网，为了尽可能小的影响系统的正常运行，一般都会采取通过减小发电机原动机的输出功率的方法，也就是相当于减小发电机的出力（减小输送功率）来减小来解决，另一方面也可以加大电网的综合阻抗来降低负序电流的大小。

因此在现代化的电网中，基于以上原因一般都会采取以下措施来降低发生非全相运行时产生的负序电流对发电机持续运行的影响：

1、对于单相断线的非全相运行：

1）减小输电线路的长度。如增加开关站，这对高电压等级的输电线路运行有很大的必要性；

2）增加并联运行变压器的台数和线路回数；

3）增加变压器中性点的接地点数量；

2、对于两相断线的非全相运行：

1）减小变压器中性点的接地点数量；

2）发电机应尽量运行在35kV及以下的非直接接地的电网中。

4、结论

非全相运行是一种不正常的运行状态，在实际的运行中应尽可能的避免。目前在超高压电网中发电机并网开关都会装有非全相保护，开关出现非全相运行时由保护动作跳闸解除发电机的非全相运行状态。但是某些特殊的情况，例如开关非全相运行同时又发生分合闸闭锁时，调度人员一般会采用倒母线或旁代的方式隔离异常开关，这种倒闸操作需要较长的时间，此时发电机非全相运行的持续时间会较长，发电机要长时间的承受负序电流对本身的影响，这就对发电机的制造工艺提出了更高的要求。

对于其他等级的高压开关，仅有少部分装有非全相保护。当然非全相运行除了由开关引起外，还会由输电线路的一相或两相断线、刀闸一相或两相触头接触不好等原因引起。因此加强对线路、刀闸、开关及附属设备的运行维护、运行监测也是避免发生不对称运行的有效措施。

总而言之，当发生发电机非全相运行时，调度人员立即减小通过断线线路输送的潮流，如果系统满足稳定运行的条件，则应立即停止异常设备的继续运行。

参考文献

[1] 王世祯.电网调度运行技术[M].沈阳：东北大学出版社，2000.

[2] 东北电业管理局调度通信中心.电力系统运行操作和计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1997.

[3] 国家电力调度通信中心.电网调度运行实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，2000.

[4] 国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2009.