小議農村水電站發電機不對稱運行的危害
關鍵詞: 農電 發電機 不對稱運行
不少農村水電站的運行管理人員對發電機不對稱運行的危害性認識不足，因而對此往往不夠重視。為了引起農村水電站運行人員對該問題的重視，談點意見供參考。
１ 發電機發生不對稱運行的主要原因
農村水電站的運行方式一般都是一方面與縣電網并列運行，另一方面承載有一定數量的自供區負荷。若自供區負荷不平衡，例如三相負荷分配不均勻，大容量的單相負荷比重大，造成運行中三相負荷投（切）不均勻程度增加；輸電線路發生不對稱短路（如單相接地或兩相短路）；電源由變壓器升壓后的主控斷路器或發電機本身的主控斷路器，在操作或運行中三相動作不同步或某相接觸不良；輸電線路三相導線的阻抗值不相同（如導線的接頭過多且集中在某一相中，三相導線的材質或線徑不一致）等，都會造成發電機處在不對稱工況下運行。
２ 不對稱運行對發電機的危害
眾所周知，發電機是根據三相電流平衡對稱的工況下長期運行的原則設計制造的。當三相電流對稱時，其所合成的旋轉磁場與轉子是同方向且轉速相等的，即旋轉磁場相對于轉子來說是靜止的，旋轉磁場的磁力線不會切割到轉子。當三相電流不對稱時，即在發電機中會有正序、負序、零序三組對稱分量電流產生，其值疊加后可能促使發電機的相電流超出額定值，因而加大了發電機的溫升值。另外，正、負序電流分量都會在發電機三相繞組中合成旋轉磁場。正序電流分量產生正序旋轉磁場，它與轉子以同方向、同速度旋轉。而負序電流分量產生的負序旋轉磁場，其旋轉方向正好與轉子的旋轉方向相反，所以從宏觀的角度上看，其轉速相對轉子的速度來說則是２倍的同步轉速。這個以２倍同步轉速切割轉子的旋轉磁場，會在轉子鐵心的表面、槽楔、轉子繞組以及轉子其他金屬部件中感應產生２倍于工頻的電流，所以其集膚效應很強，將使轉子表面的附加損耗急劇增加（該損耗值的大小近似地與負序電流值的平方成正比），這將促使轉子溫升急劇升高。另外，因為水輪發電機的轉子都是采取凸極式結構，使其磁極的縱軸方向與橫軸方向兩者的氣隙大小不一樣，其磁阻也就不一樣，則當負序旋轉磁場對著轉子橫軸附近時，因其氣隙大則其磁阻也大，故磁力線就少，即轉子與定子之間的作用力也就小。當負序旋轉磁場對著轉子縱軸附近時，因其氣隙小則其磁阻也小，故磁力線就多，即轉子與定子之間的作用力也就大。這樣，負序旋轉磁場與轉子之間的作用力時小時大，就形成一個以２倍于工頻的交變脈動力矩，這個脈動力矩作用在轉子軸和定子機座上，就使發電機產生100 Ｈｚ的振動，隨之還會伴生出強烈的噪音，長時間的振動會造成發電機的金屬材料出現疲勞損傷和機械損傷。對轉子采用凸極式結構的水輪發電機來說，因其抗振能力差而其所遭受的振動力矩又很大，所以振動容易使其產生斷裂、器件松動等而造成對發電機的破壞。
在發電機運行過程中若有負序電流存在時，必將會引起發電機電流和電壓的波形發生畸變，這樣就會使電能質量大為下降。再就是由于負序電流所引起的附加損耗劇增，將使發電機的運行效率大為下降。另外，當發電機處在不對稱工況運行時，若發電機轉子繞組回路發生斷線故障，則可能引起在勵磁回路中出現很高的電位，對發電機的安全造成威脅。
３ 防止措施
防止發電機長時間出現負序電流，是確保發電機安全運行的又一重要措施，我們必須給予足夠的重視。要防止發電機在運行中長時間出現負序電流，則必須防止其長時間處在不對稱工況下運行。所以，首先要做好的是電站所承載的負荷如何均勻分配的問題，即必須認真做好自供區的負荷三相平衡分配，盡量避免不平衡度超出允許值的現象發生。
架設輸電線路時，三相導線必須采用同材質、同截面積的導線（對３８０／２２０ Ｖ供電系統，最好４根導線都采用同材質、同截面積的導線）。線路中導線的接頭，應設法均勻分布在三相導線之中，不應全部集中在某一相上。認真做好線路器材（如絕緣子等）的選購、檢測及安裝工作，提高線路的架設質量，確保線路具有必須具備的絕緣水平。
加強對線路的運行管理，杜絕、防止、減少線路在運行中發生單相接地、兩相短路事故。一旦發生以上不對稱短路事故，能夠盡早發現及時排除。
對經變壓器升壓后輸出電能的農村水電站，盡量少用跌落式熔斷器作為其投（切）操作之用，應改用高壓斷路器控制發電機—變壓器的投（切），以提高三相同步投（切）的程度。
當然，要求農村水電站發電機處在完全對稱平衡的工況下運行也是難以實現的，但滿足如下幾條原則是可以做到的：發電機轉子的任何一點溫度不得超過允許值；機械振動不得超過允許值；任何一相定子電流均不得超過其額定值。為此，有關規程明文作出規定：水輪發電機三相電流的不平衡程度必須滿足；三相電流之差，最大不得超過其額定值的２０％。
不少農村水電站的運行管理人員對發電機不對稱運行的危害性認識不足，因而對此往往不夠重視。為了引起農村水電站運行人員對該問題的重視，談點意見供參考。
１ 發電機發生不對稱運行的主要原因
農村水電站的運行方式一般都是一方面與縣電網并列運行，另一方面承載有一定數量的自供區負荷。若自供區負荷不平衡，例如三相負荷分配不均勻，大容量的單相負荷比重大，造成運行中三相負荷投（切）不均勻程度增加；輸電線路發生不對稱短路（如單相接地或兩相短路）；電源由變壓器升壓后的主控斷路器或發電機本身的主控斷路器，在操作或運行中三相動作不同步或某相接觸不良；輸電線路三相導線的阻抗值不相同（如導線的接頭過多且集中在某一相中，三相導線的材質或線徑不一致）等，都會造成發電機處在不對稱工況下運行。
２ 不對稱運行對發電機的危害
眾所周知，發電機是根據三相電流平衡對稱的工況下長期運行的原則設計制造的。當三相電流對稱時，其所合成的旋轉磁場與轉子是同方向且轉速相等的，即旋轉磁場相對于轉子來說是靜止的，旋轉磁場的磁力線不會切割到轉子。當三相電流不對稱時，即在發電機中會有正序、負序、零序三組對稱分量電流產生，其值疊加后可能促使發電機的相電流超出額定值，因而加大了發電機的溫升值。另外，正、負序電流分量都會在發電機三相繞組中合成旋轉磁場。正序電流分量產生正序旋轉磁場，它與轉子以同方向、同速度旋轉。而負序電流分量產生的負序旋轉磁場，其旋轉方向正好與轉子的旋轉方向相反，所以從宏觀的角度上看，其轉速相對轉子的速度來說則是２倍的同步轉速。這個以２倍同步轉速切割轉子的旋轉磁場，會在轉子鐵心的表面、槽楔、轉子繞組以及轉子其他金屬部件中感應產生２倍于工頻的電流，所以其集膚效應很強，將使轉子表面的附加損耗急劇增加（該損耗值的大小近似地與負序電流值的平方成正比），這將促使轉子溫升急劇升高。另外，因為水輪發電機的轉子都是采取凸極式結構，使其磁極的縱軸方向與橫軸方向兩者的氣隙大小不一樣，其磁阻也就不一樣，則當負序旋轉磁場對著轉子橫軸附近時，因其氣隙大則其磁阻也大，故磁力線就少，即轉子與定子之間的作用力也就小。當負序旋轉磁場對著轉子縱軸附近時，因其氣隙小則其磁阻也小，故磁力線就多，即轉子與定子之間的作用力也就大。這樣，負序旋轉磁場與轉子之間的作用力時小時大，就形成一個以２倍于工頻的交變脈動力矩，這個脈動力矩作用在轉子軸和定子機座上，就使發電機產生100 Ｈｚ的振動，隨之還會伴生出強烈的噪音，長時間的振動會造成發電機的金屬材料出現疲勞損傷和機械損傷。對轉子采用凸極式結構的水輪發電機來說，因其抗振能力差而其所遭受的振動力矩又很大，所以振動容易使其產生斷裂、器件松動等而造成對發電機的破壞。
在發電機運行過程中若有負序電流存在時，必將會引起發電機電流和電壓的波形發生畸變，這樣就會使電能質量大為下降。再就是由于負序電流所引起的附加損耗劇增，將使發電機的運行效率大為下降。另外，當發電機處在不對稱工況運行時，若發電機轉子繞組回路發生斷線故障，則可能引起在勵磁回路中出現很高的電位，對發電機的安全造成威脅。
３ 防止措施
防止發電機長時間出現負序電流，是確保發電機安全運行的又一重要措施，我們必須給予足夠的重視。要防止發電機在運行中長時間出現負序電流，則必須防止其長時間處在不對稱工況下運行。所以，首先要做好的是電站所承載的負荷如何均勻分配的問題，即必須認真做好自供區的負荷三相平衡分配，盡量避免不平衡度超出允許值的現象發生。
架設輸電線路時，三相導線必須采用同材質、同截面積的導線（對３８０／２２０ Ｖ供電系統，最好４根導線都采用同材質、同截面積的導線）。線路中導線的接頭，應設法均勻分布在三相導線之中，不應全部集中在某一相上。認真做好線路器材（如絕緣子等）的選購、檢測及安裝工作，提高線路的架設質量，確保線路具有必須具備的絕緣水平。
加強對線路的運行管理，杜絕、防止、減少線路在運行中發生單相接地、兩相短路事故。一旦發生以上不對稱短路事故，能夠盡早發現及時排除。
對經變壓器升壓后輸出電能的農村水電站，盡量少用跌落式熔斷器作為其投（切）操作之用，應改用高壓斷路器控制發電機—變壓器的投（切），以提高三相同步投（切）的程度。
當然，要求農村水電站發電機處在完全對稱平衡的工況下運行也是難以實現的，但滿足如下幾條原則是可以做到的：發電機轉子的任何一點溫度不得超過允許值；機械振動不得超過允許值；任何一相定子電流均不得超過其額定值。為此，有關規程明文作出規定：水輪發電機三相電流的不平衡程度必須滿足；三相電流之差，最大不得超過其額定值的２０％。
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