某电厂发电机出口三次谐波分析与研究

某电厂发电机出口三次谐波分析与研究
张二龙
【摘要】在对某电厂发电机出口进行电能质量监测时,发现发电机出口三次谐波较大.文章对发电机正常工作过程、启机过程、停机过程的谐波测试结果进行了全面分析,并列出了发电机出口三次谐波形成的三个主要原因,包括:PT二次侧产生的零序谐波电压在一次侧的放大;发电机空载时,由空载励磁电流产生的空载励磁磁势为梯形波,空载励磁电流产生的磁感应强度中含有三次谐波分量;发电机负载增大过程中,产生电枢反应,由于转子磁极表面气隙磁阻的不均匀,因此,磁通在转子表面沿气隙分布的磁感应强度将是非正弦的,同样产生了三次谐波.
【期刊名称】《安徽电气工程职业技术学院学报》
【年(卷),期】2017(022)003
【总页数】5页(P45-49)
【关键词】发电机;电能质量;三次谐波
【作者】张二龙
【作者单位】中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司,安徽合肥230022
【正文语种】中文
【中图分类】TM712.3
Abstract:The third harmonic was found big while monitoring the power quality of generator terminal voltage in one power plant. This paper has
made a comprehensive analysis of the test results during the working, starting and stopping processes and then lists the three main reasons which lead to the production of the third harmonic: firstly, the zero sequence harmonic produced by the transformer secondary side was enlarged in the primary side; secondly, with no load, the waveform of the excitation magnetomotive force is trapezoidal, which has three harmonic component in the magnetic induction; thirdly, with the load increasing, the armature reaction would be generated and the third harmonic was produced as the rotor pole-face gap reluctance was not evenly distributed and the waveform of the magnetic induction intensity was not a sine wave. Key words:generator; power quality; the third harmonic
随着社会经济的发展，电能的需求量也越来越大，对发电系统以及供配电系统的经济性、可靠性以及合理性的要求也越来越高，这要求在满足需求量的前提下也要设法保证电能质量的各项数据满足规程要求。

发电厂发出电能的质量，直接决定着电力系统中电能的质量。

因此，要想保证电力系统中电能质量的合格，首先要保证发电厂发出的电能质量的合格。

其次，才是设备负荷等对电能质量的影响。

谐波影响各种电气设备的正常工作，会使电机产生额外的热损耗、机械振动、噪声和过电压，还会使变压器局部严重过热[1]。

谐波的存在不仅对发电机、厂用配电系统造成不良影响，而且还会影响到励磁和微机保护装置的正常运行[2]。

发电机出口电压的质量关系到厂用电以及上网后系统侧电的质量，本文主要论述的是在对某电厂发电机出口电能质量进行监测时，发现发电机出口三次谐波较大，文中对发电机启停过程中的三次谐波进行了重点分析，得出了三次谐波较大的主要原因，收集到了第一手资料，为电厂的谐波问题分析提供了很好的方法。

电厂共有两台主变，两台主变下所带的负荷完全相同，选取1号主变进行电能质
量测试。

部分一次系统图见图1。

本次测试选取1号燃气发电机和2号汽轮发电
机出线作为测试点，测试时间为24小时。

分别对发电机出口电压和电流进行了监测。

测试时间内包含了发电机的三个工作状态：正常运行、停机、启机。

测试结果发现：1号燃机母线电压总谐波畸变率95%概率大值为5.34%。

其中三次谐波电
压含有率的95%概率大值为5.21%。

2号汽机母线电压总谐波畸变率95%概率大值为3.14%。

其中三次谐波电压含有率的95%概率大值为2.92%。

1号燃机谐波
电压测试报表部分数据见表1。

1号燃机和2号汽机处于同步工作状态，同时开机、工作、停机。

本文主要对1
号燃机各项测试数据进行重点分析，2号汽机测试结果类似。

文中对两台机组各项数据进行对比分析。

2.1 1号燃机正常工作时出口谐波电压分析
燃机正常工作时，11.5kV母线的三次谐波电压和电流趋势分别如图2、图3所示。

由燃机正常工作时的三次谐波电压和电流变化趋势图可以看出，燃机11.5kV母线的三次谐波电压和馈线的三次谐波电流变化趋势并不一致，说明三次谐波电压并不是由三次谐波电流在系统三次谐波阻抗上引起的。

同时从图中可以看出，在燃机工作过程中，三次谐波电压一直存在。

1号燃机母线和2号汽机母线的零序电压含量均较大，零序电压有效值均在100V左右，达到基波正序电压的1.5%左右。

取燃
机和汽机工作时某一个时刻得出三次谐波报表，见表2。

表2列出了三相的三次谐波电压的大小与角度，很显然1号燃机和2号汽机三次
谐波电压A、B、C相的角度都在104度左右。

由此可以得出，燃机和汽机工作时的三次谐波电压基本上呈零序的性质。

且燃机和汽机同一时刻的三次谐波电压相位一致，说明燃机和汽机正常工作时的三次谐波电压产生具有一定的相关性。

2.2 燃机停机时供电母线三次谐波电压与电流对比分析
燃机停机时，11.5kV母线的三次谐波电压趋势如图4所示，燃机停机时，11.5kV
馈线的三次谐波电流趋势如图5所示。

由燃机停机时的三次谐波电压和电流变化趋势图可以看出，燃机11.5kV母线的三次谐波电压和馈线的三次谐波电流变化趋势并不一致，同样说明三次谐波电压并不是由三次谐波电流在系统三次谐波阻抗上引起的。

通过上述燃机停机供电母线三次谐波电压趋势可以看出，在燃机停机时，三次谐波电压一直存在。

分析时取燃机和汽机同时停机时某同一个时刻得出三次谐波报表如表3。

由表3可以看出，燃机和汽机同时处于停机状态时的三次谐波电压同样也基本上
呈零序的性质。

且燃机和汽机同一时刻的三次谐波电压相位一致，说明燃机和汽机停机时的三次谐波电压产生的源也很可能是同一个。

2.3 燃机电压启动过程供电母线三次谐波电压分析
取燃机电压到正常状态，无电流输出时某一个时刻得出三次谐波报表如表4所示。

由表4可以看出，燃机电压到正常状态，无电流输出时三次谐波电压幅值明显大
于燃机停机时的三次谐波电压幅值，说明燃机电压从0到正常时会产生大量的三
次谐波电压。

燃机电压正常电流增大过程11.5kV母线的三次谐波电压趋势如图6所示，燃机电压正常电流增大过程11.5kV馈线的基波电流趋势如图7所示。

由燃机电压正常电流增大过程的三次谐波电压和基波电流变化趋势图可以看出，燃机11.5kV供电母线三次谐波电压含有率的变化趋势和基波电流变化趋势完全一致，说明燃机母线的三次谐波电压含有率与燃机母线基波电流的大小有关。

通过对燃机和汽机三次谐波的分析，得到燃机和汽机母线三次谐波电压产生的原因主要有两个。

下面对三次谐波源产生的两个原因作进一步的分析。

3.1 燃机和汽机正常工作和停机时三次谐波电压产生原因分析
对1号燃机和2号汽机基波零序分量的产生作深入分析。

基波零序分量见表5。

燃机和汽机同一时刻的基波零序电压相位一致，说明燃机和汽机的基波零序谐波电压产生的源很可能是同一个。

燃机和汽机工作和停机时的基波零序电压比值分别为1.14和1.10。

燃机母线PT变比为11500∶100。

燃机11.5kV母线PT和汽机10.5kV母线PT变比的比值为1.10。

燃机和汽机工作和停机时的基波零序电压比值在1.10左右，满足燃机和汽机母线PT的变比。

由上述分析计算，在两个PT的二次侧应该存在同一个0.9V左右的零序电压。

通过变比换算，0.9V乘以母线PT 变比所得数据正好满足实测的零序电压幅值。

燃机母线和汽机母线的基波零序电压的产生原因就是PT二次侧0.9V基波零序电压通过PT在一次侧的放大。

PT的接线示意图如图8和图9所示，其中图8地线排在PT二次侧中性点的位置直接接地。

图9地线接地的位置离PT二次侧中性点隔一段距离。

此两种接线对零序电压的测量结果有很大的不同。

发电厂内部地线是公用的，通过地线接地的设备不仅仅只有此次测试的PT，还有别的PT和发电厂内部的用电设备。

发电厂内部的非线性用电设备通过地线接地，在地线上会流过零序电流。

零序电流流过地线，在地线上产生零序压降。

图8所示的PT二次侧的中性点n为零电位，即使地线上流过零序电流，中性点的电位也不变，对测量不会产生影响。

如果地线上流过零序电流，图9所示的PT二次侧的中性点n电位不为零，在n点存在零序电压，通过电能质量分析仪测试放大反应到PT的一次侧，造成零序电压的测量结果偏大，这对测量的真实结果会造成很大的影响。

同理，通过之前分析可知燃机和汽机正常工作和停机时供电母线的三次谐波电压主要呈零序的性质，且燃机和汽机同一时刻的三次谐波电压相位一致，比值也满足燃机和汽机母线PT的变比。

因此，燃机和汽机正常工作和停机时供电母线三次谐波电压产生的原因和基波零序电压产生的原因是一样的。

通过现场排查，燃机和汽机母线上的PT的接线示意图和图9一致，两PT中性点的三次谐波电压不为0。

3.2 燃机和汽机空载时及接入负载后三次谐波电压产生原因分析
当发电机空载时，转子励磁绕组通入励磁电流时，气隙中产生主磁场。

空载励磁电流产生空载励磁磁势梯形波，由空载励磁磁势产生的空载励磁磁通在转子磁极表面沿气隙分布的磁感应强度也近似按梯形规律分布[3]。

由于凸极式发电机的气隙不均匀，气隙的磁阻也不均匀，磁极中心线处磁阻最小，两极间磁阻最大，因此磁感应强度分布是平顶波。

根据傅里叶级数分解，可将平顶波分解为基波、三次谐波分量、五次谐波分量等，谐波分量中三次谐波幅值最大[4]。

由此可知，空载励磁电流产生的磁感应强度中含有三次谐波分量，且当空载励磁电流增大时，三次谐波磁感应强度也增大。

同理，当发电机接负载时，将产生电枢反应，其电枢反应磁势所产生的磁感应强度含有谐波分量[5]。

当电枢电流增大时，电枢电流横轴分量增大，三次谐波磁感应强度也增大。

本文对发电机启停机全过程的电能质量进行了跟踪监测。

测试结果发现发电机出口的三次谐波形成是由两个主要原因造成的。

首先包括PT二次侧产生的零序谐波电压在一次放大，对测量结果产生了很大的影响。

其次，发电机在空载时，空载励磁电流产生的磁感应强度中含有三次谐波分量。

在发电机负荷增长的过程中，同样由于内部结构和磁感应强度分布的不均造成了三次谐波的存在。

本文的分析和研究过程对以后各电厂发电机出口的电能质量测试提供了很好的分析方法和研究依据。

【相关文献】
[1] 辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社,2005.
[2] 刘一丹，袁宇波，张亮，等.发电机机端三次谐波问题的分析与处理[J].江苏电机工程，2006，25(1)：42- 44.
[3] 汤蕴繆，罗应力，梁艳萍.电机学[M].北京：机械工业出版社,2008.
[4] 张琦雪,何其伟,徐峰,等.汽轮发电机三次谐波电压随负荷变动的理论分析[J].电力系统自动化,2008,32(21)：61- 64.
[5] 高景德，王祥珩，李发海.交流电机及其系统的分析[M].北京：清华大学出版社,2005.。