发电机电容电流的测量及数据分析

摘要：凌津滩电厂装机9台，总容量27万千瓦，是我国大容量、灯泡式贯流式机组的电厂。其中#1—#5机组为日立公司生产，#6—#9机组为日立设计哈尔滨电机厂生产。单机容量为30MW，额定电压10.5KV，发电机中性点不接地。

关键词：发电机 电容电流 测量 数据分析

0 前言

凌津滩电厂装机9台，总容量27万千瓦，是我国大容量、灯泡式贯流式机组的电厂。其中#1—#5机组为日立公司生产，#6—#9机组为日立设计哈尔滨电机厂生产。单机容量为30MW，额定电压10.5KV，发电机中性点不接地。

根据《凌津滩电厂水轮发电机组及其附属设备》合同：

　　1）第6.6.3.8中第2条《中性点装置》第3项中规定：两台机联合运行，单相接地电容电流大于3A时，若不能保证机组安全运行2小时，则各机组中性点均应采取补偿措施，补偿装置由卖方配套供货。

　　2）附件6.3条设备性能保证及参数中规定：定子绕组每相对地电容0.3μF。

3）第6.8条规定现场试验：6.8.3.8条定子对地电容电流测量。这一条明确规定与电机交流耐压并列，即每台机都应作电容电流测量。

1　　发电机电容的计算

凌津滩电厂发电机定子绕组为波绕双层、每槽两根线棒，定子线棒采用真空压力浸渍环氧树脂浸透线圈、线圈表面涂阻燃林料，分上下层嵌放到定子槽内。定子Z=342槽、计684根线棒，单支路每相线棒N=228根。

定子绕组对地电容，由线圈的机械尺寸、绝缘材料的电介系数所确定。按机械尺寸、交流耐压及单相接地三种方法可计算得出，以#1机为例，分述如下。

1．1 机械尺寸进行电容的计算

一般的平板极电容计算，电容与电介系数ε_O及ε_r、极板面积 S成正比，与极间距离d成反比。

常用式子 　　　　 C₀=ε_Oε_rS／d

发电机的绕组电容计算，可将线棒导体展开成为一极。包有半导体材料的线棒与铁芯是紧靠的，当另外一极同时展开。中间的绝缘材料也展开，这是极板间的介质。

线棒导体的面积　　 S₁=（2b₁+2h₁）L

包半导体的面积　　 S₂=(2b₂+2h₂)L　　

电容极板的一侧　　 S=(S₁+S₂)/4=(b₁+h₁+b₂+h₂)L/2　　

绝缘的单边厚度　　 d=(b₂-b₁)/2

一根线棒的电容　　 C₀=　

　　由日立公司提供单根线棒的断面尺寸如图1。

定子铁心长度包括通风沟 L=165cm。

多股裸线棒一根截面尺寸 ｈ₁×b₁=5.45×1.658cm　　　　　　 　　　　

包绝缘0.318cm后的尺寸 ｈ₂×b_2&­=6.086×2.294cm

环氧粉云母相对介质系数 ε_r=4～6、 　取ε_r=5　　 图１定子导线的尺寸

空气中的电气介质常数为 ε_O=1/18π10⁵、

一根线棒电容 C₀=　　

　　　　 =0.00355μF

单相电容为 C₁=NC₀=228×0.00355=0.809μF　　

三相电容为 C=3C₁=3×0.809=2.427μF

1．2 由交流耐压电流计算电容

发电机定子交流耐压的常规方式是：三相分别耐压，而非加压相短接后与定子铁芯一同接地，这时耐压的电容实际为定子的三相电容。

发电机定子的交流耐压电流主要是按电容分布，线棒导体为电容的一极，另外一极为定子铁心，也是接地极。耐压电流中还有极少的线棒绝缘电阻电流但它和电容电流相比也是很小的。

如： 摇得一相线棒228根绝缘为10MΩ，如果电容为0.809μF，则

容抗　　X_C =1/2πfC

　　　　　　=10⁶/314×0.809=0.0079 MΩ

绝缘 　　 R_S =10 MΩ

比值　　X_C/R&­_S=0.0079/10=0.079%

因此在下面的计算中我们忽略电阻部分有功电流，近似地认为交流耐压即是定子的三相电容。于是交流耐压的电流

　　 I_C=U /X_C=2πfCU

三相电容　　 C=I_C/2πfU

　　单相电容　　 C_n=C/3

原#1机的定子耐压的厂家出厂试验、安装单位交接试验具体数值及计算电容如表1

　　　　　　　　　　 表1

1．3 单相接地测量电容

1.3.1单相接地电容电流的测量原理

　　假设三相电压以A相电压为基准，且电压最大值为1，那么正常情况发电机三相的电压可表示如下：

　　　=∠0⁰　　 =∠240⁰　　 =∠120⁰　　

因为三相对地存在电容，所以即便是空载发电机三相也存在微弱的电流，且分别超前电压90⁰，和电压一样是对称，见图1。如果容抗为1，那么可表示为：

　　 =∠90⁰　　 =∠-30⁰　　 =∠210⁰　　

　　　　　　　（ａ）线路图　　　　　　　 （ｂ）电压电流向量图

图1 正常状态三相电容电流

当C相接地时，因C相的电压为零，此时A、B相对地的电压等于对C相的电压，即正常时的线电压。所以此时的三相电压为

=0 =∠0⁰ - ∠120⁰ =∠-30⁰ =∠240⁰ - ∠120⁰ =∠-90⁰

可见非接地相对地的电压上升为正常倍，因为是中性点不接地系统，所以短路电流如图2(a)所示经A、B对地电容、大地与C相形成回路。A、B对地的容抗不变，因对地电压升高倍，所以A、B相的电流数值分别比正常时升高倍，仍超前电压90⁰，分别为

=/1==∠60⁰ 　　 =/1=∠0⁰

而C三相电流为A、B相电流之和，且方向相反，见图2(b)。

=-（+）=3∠210⁰ 　　

C相电流即为单相短路的总接地电流，为正常情况下单相电容电流的3倍，由这个电流计算出的电容即为三相电容。

（ａ）线路图　　　　　　　 （ｂ）电压电流向量图

图2 单相接地的电容电流

1．3．2半电压下的接地试验

在#1发电机的出口母线上C相接地，现地分布开机，手动励磁，升到半电压0.5U_n=×2887=5000V。用晶体管钳式电流表夹到接地线上测量，使用的表计最小档位为200A档，读出的电流数为2.2Ａ，根据

接地电流　　 I_C=U/X_C=2πfCU

三相电容　　 　C=I_C/2πfU=2.2/(314×2887)=2.427μF

单相电容　　 　Cn=C/3=2.427/3=0.809μF

一根线棒电容　 C₀=C/2Z=0.00355μF

1．3．3全电压下单相接地试验

发电机在额定电压下发生单相接地，因发电机对地电容不变，所以其接地电流应是半电压下的2倍。实际测的电流为4.5 A，与半电压下的试验数据比较相符。

2 电容及单相接地电流的分析

对于中性点不接地发电机，如果电容电流过大，容易损坏绕组对定子铁芯的绝缘而形成常见的单相接地故障，若不及时发现，又出现另一接地点，就会造成匝间或相间短路，使发电机受到更严重的破坏。所以，在我国，10.5KV系统中性点不接地发电机的单相接地电流要求小于3～5A。对于水轮机则要求小于3A。而#1机在全电压单相接地试验中的接地电流已有4.5A。

另外，#1发电机由机械尺寸计算和半电压单相接地方法所得单相电容值0.809μF相符合。而日立公司的出厂试验数据所得电容值单相电容值0.732μF和安装单位的交流耐压试验数据所得电容值单相电容值0.766μF偏小，考虑到测量仪器的不同及误差，可做参考。但所有这些数据都远大于《凌津滩电厂水轮发电机组及其附属设备》合同附件6.3条设备性能保证及参数中规定：定子绕组每相对地电容0.3μF。

表2列出了#1～#4安装单位交流耐压试验后电容电流（取自接地线）以及计算出的单相电容，其中#1机为转子阻尼条烧损事故后，磁极重装后的数据。

表2

从上表可见：机组的实际单相电容均大于0.7F，制造厂日立公司提供的单相电容设计值0.3μF，以及后来电传的每相保证值0.67μF，都是不可信的。

3　　结束语

通过一系列的试验显示：日立公司生产的这组发电机的单相电容超标，导致发电机在单相接地电流都大于4A，凌津滩电厂9台机组，除#5机，其余8台都是2机1变的扩大单元接线，实际两机并列运行时发生定子绕组单相接地时电流可达8～9A，这还未把发电机母线和主变的电容考虑进来。

凌津滩发电机在并网后定子线圈的温度一般都在80℃～90℃，这和发电机定子电容电流过大也有关，长期运行，定会加快线棒绝缘的老化。

另外，凌津滩电厂的定子绕组单相接地保护是95%定子接地保护，对于发电机中性点附近单相接地，存在死区。

鉴于以上原因，我们要求日立公司按合同要求，无条件加装发电机消弧线圈，用以抵消电容电流，考虑到与发电机直接相连的母线及变压器显容性，为避免并网后造成串联谐振，消弧线圈采用欠补偿。