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摘要：大型水力发电机组中性点经消弧线圈接地，以降低单相接地故障电流，但随之而来的是发电机正常运行时机端零序电压的升高。文章从工程实际出发，详细介绍了天生桥水力发电总厂发电机中性点消弧线圈档位选取试验的方法与过程。提出应先进行发电机电容量及电容电流测试，再进行接地电流测试；提出在现场使用谐波分析仪对接地电流进行分析以准确判断谐振点位置的方法，对同类型试验具有较强的参考意义。
关键词：发电机;消弧线圈;档位;接地电流;谐波
0 引言
定子绕组单相接地是发电机最为常见的一类故障，如果接地电流较大将危及发电机定子铁心。对于对地电容较大的大型水力发电机组，我国广泛采用的是中性点经消弧线圈接地的方式来降低接地电流[1]。其基本原理是当发电机发生单相接地故障时，提供一个电感电流来补偿接地电容电流，使接地电流减小，同时使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低，达到自动熄灭电弧的目的，可防止大接地电流烧毁定子线圈和铁心。
运行实际表明，发电机经消弧线圈接地对于降低发电机单相接地故障电流是切实有效的，但是发电机中性点经消弧线圈补偿接地后，引起发电机母线TV二次侧电压的不平衡，在运行过程中，可能造成零序电压保护动作。在发电机接入消弧线圈运行前，现场要进行消弧线圈的档位选取试验，以确定消弧线圈的最佳运行档位。
消弧线圈档位的确定，需对发电机进行单相接地电流测试，结果满足相关规程要求，依此选择消弧线圈的接入档位；在消弧线圈接入，发电机投运后，对机端零序电压进行测量，须满足继电保护整定的要求。现场试验时一般直接接入消弧线圈各档位进行接地电流测试，依据试验结果判断接入档位。
天生桥水力发电总厂6台220MW发电机，中性点均通过消弧线圈接地。对天生桥水力发电总厂6号发电机进行消弧线圈档位的选取和接入试验，其余机组参考6号发电机的试验结果，对消弧线圈档位进行选取。本试验有别于以往档位选取试验，首先对发电机电容量和电容电流进行现场测量，通过理论计算谐振点位置，有的放矢地接入消弧线圈档位进行接地电流测试；试验中还使用了谐波分析仪对接地电流进行分析，避免了现场干扰对试验结果的判断。
1 发电机电容量的测试
为准确选取消弧线圈的补偿档位，需要对发电机单相接地电流进行测试。考虑到盲目接入消弧线圈逐档测试接地电流耗时较久，并可能带来不必要的危险，首先对发电机的电容量进行测试，并据此计算出补偿电抗的范围和谐振点。
现场采用“1PT法”测量发电机电容量（图1），天生桥水力发电总厂为两台发电机经一台500kV主变升压后接入GIS，发电机型号SF-220.5-30/9050，容量为220MW，出口电压18kV，依现场实际，对发电机出口刀闸以内的设备进行试验。断开261断路器，拉开261GK刀闸、262GK刀闸，发电机灭磁开关在断开位置，发电机出口PT（261YH、263YH）及励磁变（261LB）接入，在261GK刀闸（中性点刀闸）上端发电机侧接入试验PT，PT二次绕组接电容电流测试仪。
图1：1PT法测量发电机电容量
发电机电容量测试结果及相关计算：
1) 通过“1PT”法现场测得发电机电容量为3.22μF，在不接入消弧线圈补偿的情况下，接地电流为10.53A。
2) 规程[2]规定：额定电压18kV及以上发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为1A。
3) 理论实际表明，发电机经消弧线圈接地时，消弧线圈须工作在欠补偿状态[4]。
由1）~3），用表示发电机接地电容电流，表示消弧线圈补偿电流，可得：
由3可得，理论计算消弧线圈补偿电抗值应为，当消弧线圈补偿电抗值时，为全补偿。
2 接地电流的测试
6号发电机中性点消弧线圈型号为XHDC-160/18，额定电压18000/√3V，结合消弧线圈各档位参数（表1）以及理论计算消弧线圈应补偿电抗值，决定从7档开始，逐次减档接入消弧线圈进行接地电流的测试。
理论计算当消弧线圈电抗值 时，将产生可能危及设备安全的谐振过电压，试验过程中可能经过谐振点，试验电压升至（9kV）进行试验。
现场采用单相金属接地法（图2）进行接地电流的测试。接入消弧线圈，在发电机出口261YH A相一次保险上部（母线侧）接一根短路接地线，并串入电流表测量接地电流。
接地电流现场测试过程中，接地电流的正弦工频电流波形上叠加有大量高频振荡波形，零序电流波形几乎被高频振荡波形掩盖[3]。使用普通电流表所测为电流有效值，其中包含了高频振动信号，在现场干扰较大时，消弧线圈在不同档位时接地电流变化不明显或者变化没有规律，导致无法判断谐振点的位置，试验失去了意义。本次试验针对这一问题，采用特殊电流表（测量基波电流）以及谐波分析仪对接地电流进行分析，从接地电流中分离出了零序分量。相关测试结果见表2。
1) 绘出接地电流及接地电流基波分量与档位的坐标图（图3、图4）。可以推出，谐振点位于消弧线圈5档和6档之间，且6档为过补偿。这与1中理论计算是一致的。
2) 从接地电流与接地电流的基波分量数值来看，现场测量时接地电流基波分量上的确叠加有大量的高频分量，这些高频分量如不有效的分离，将对测试结果的判断产生影响。
3) 本次测试结果测试电压为（9kV），相应地，按规程[2]要求接地电流值不应超过0.5A。在不去除接地电流中高频信号的情况下，现场无法满足规程的这一要求；仅考虑接地电流基波分量时，消弧线圈5档、6档、7档满足规程要求。
4) 结合试验中中性点电流值与消弧线圈各档位额定电流进行分析，消弧线圈各档位电流满足现场要求。
3 消弧线圈档位的确定
依据规程[2]规定：出口电压为18kV及以上的发电机组，发电机单相接地电流允许值为1A，若大于允许值，宜以消弧线圈（欠补偿）接地。
试验结果显示，不接入消弧线圈补偿的情况下，发电机接地电流为10.53A；消弧线圈欠补偿接入后，接地电流（叠加了高频成分）无法满足小于1A的要求，当仅考虑接地电流基波分量时，小于1A的档位仅为第5档（0.88A）。
大量试验数据表明，电网单相接地电流熄弧临界值为11.4A，当电网单相接地电流>11.4A时，易产生弧光接地过电压[5]。一般中小容量的发电机当单相接地电流>5A时可能出现电弧，而<5A时接地点不会出现电弧[6]。
考虑消弧线圈接入5档时过于靠近谐振点，产生谐振过电压的几率增加，以及造成发电机正常运行时出口零序电压3U0增大，最终选择接入4档投入运行。因消弧线圈接入4档时，接地电流值为2.92A，接地电流基波分量为1.06A；与5档（接地电流值为2.76A，接地电流基本分量0.88A）相比，接地电流虽略有增加，但远离了谐振点，并降低了3U0。
在6号发电机接消弧线圈4档投运后，实测3U0为3.53V，满足保护3U0<5V要求。最终，天生桥水力发电总厂6号机消弧线圈投入4档运行。
4 结语
1) 发电机中性点消弧线圈档位的选取，其实质在于确定一个“最优”的档位。该档位下消弧线圈接入后，接地电流小于规程规定值；且发电机正常运行时，出口零序电压3U0满足继电保护整定的要求。
2) 当1）中两点不能够同时满足时，优先考虑3U0满足继电保护整定，消弧线圈补偿后不易造成谐振过电压的档位投入运行。
3) 接地电流测试前，首先对发电机电容量和电容电流进行现场测量，据此进行理论计算，按理论计算结果初步确定消弧线圈的接入档位。这样可节省现场试验的人力物力，减少发电机启停次数。
4) 发电机接地电流测试过程中，现场干扰较大，使用普通电流表测量接地电流，可能导致试验结果始终无法满足要求，更重要的是，由于高频成分的影响，造成无法准确判断谐振点位置，使试验失去意义。在现场试验中使用谐波分析仪对接地电流进行分析，从中分离出基波分量，依据基波分量的变化规律准确判断谐振点位置，最终选取“最佳”档位投入运行。
参考文献：
1. 王维俭，桂林，王祥珩，等.大型发电机中性点接地方式的反思与忧虑[J].电力设备,2007,8(11):1-4.
2. 王维俭，孟庆和，宋继成，等.大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京：中国电力出版社，2000.
3. 吴湘黔，高尚政，马晓红.发电机消弧线圈档位的选取[J].高电压技术，2007,33（12）：211-213,219.
4. 《水电站机电设计手册》编写组.水电站机电设计手册[M].北京：水利电力出版社，1989.
5. 汤放奇，李景禄，曾祥君，等.补偿电网中性点位移电压异常的原因及对策[J].高电压技术，2005,31（4）：12-13.
6. 李平学，刘贤枚.关于李家峡水电厂400MW发电机中性点接地方式和接地保护的分析[J].西北电力技术，2004,32（6）：49-51.
作者简介：
杜鑫，男，（1986—），助理工程师，2008年参加工作，从事电厂高电压试验工作。
关键词：发电机;消弧线圈;档位;接地电流;谐波
0 引言
定子绕组单相接地是发电机最为常见的一类故障，如果接地电流较大将危及发电机定子铁心。对于对地电容较大的大型水力发电机组，我国广泛采用的是中性点经消弧线圈接地的方式来降低接地电流[1]。其基本原理是当发电机发生单相接地故障时，提供一个电感电流来补偿接地电容电流，使接地电流减小，同时使得故障相接地电弧两端的恢复电压迅速降低，达到自动熄灭电弧的目的，可防止大接地电流烧毁定子线圈和铁心。
运行实际表明，发电机经消弧线圈接地对于降低发电机单相接地故障电流是切实有效的，但是发电机中性点经消弧线圈补偿接地后，引起发电机母线TV二次侧电压的不平衡，在运行过程中，可能造成零序电压保护动作。在发电机接入消弧线圈运行前，现场要进行消弧线圈的档位选取试验，以确定消弧线圈的最佳运行档位。
消弧线圈档位的确定，需对发电机进行单相接地电流测试，结果满足相关规程要求，依此选择消弧线圈的接入档位；在消弧线圈接入，发电机投运后，对机端零序电压进行测量，须满足继电保护整定的要求。现场试验时一般直接接入消弧线圈各档位进行接地电流测试，依据试验结果判断接入档位。
天生桥水力发电总厂6台220MW发电机，中性点均通过消弧线圈接地。对天生桥水力发电总厂6号发电机进行消弧线圈档位的选取和接入试验，其余机组参考6号发电机的试验结果，对消弧线圈档位进行选取。本试验有别于以往档位选取试验，首先对发电机电容量和电容电流进行现场测量，通过理论计算谐振点位置，有的放矢地接入消弧线圈档位进行接地电流测试；试验中还使用了谐波分析仪对接地电流进行分析，避免了现场干扰对试验结果的判断。
1 发电机电容量的测试
为准确选取消弧线圈的补偿档位，需要对发电机单相接地电流进行测试。考虑到盲目接入消弧线圈逐档测试接地电流耗时较久，并可能带来不必要的危险，首先对发电机的电容量进行测试，并据此计算出补偿电抗的范围和谐振点。
现场采用“1PT法”测量发电机电容量（图1），天生桥水力发电总厂为两台发电机经一台500kV主变升压后接入GIS，发电机型号SF-220.5-30/9050，容量为220MW，出口电压18kV，依现场实际，对发电机出口刀闸以内的设备进行试验。断开261断路器，拉开261GK刀闸、262GK刀闸，发电机灭磁开关在断开位置，发电机出口PT（261YH、263YH）及励磁变（261LB）接入，在261GK刀闸（中性点刀闸）上端发电机侧接入试验PT，PT二次绕组接电容电流测试仪。
图1：1PT法测量发电机电容量
发电机电容量测试结果及相关计算：
1) 通过“1PT”法现场测得发电机电容量为3.22μF，在不接入消弧线圈补偿的情况下，接地电流为10.53A。
2) 规程[2]规定：额定电压18kV及以上发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为1A。
3) 理论实际表明，发电机经消弧线圈接地时，消弧线圈须工作在欠补偿状态[4]。
由1）~3），用表示发电机接地电容电流，表示消弧线圈补偿电流，可得：
由3可得，理论计算消弧线圈补偿电抗值应为，当消弧线圈补偿电抗值时，为全补偿。
2 接地电流的测试
6号发电机中性点消弧线圈型号为XHDC-160/18，额定电压18000/√3V，结合消弧线圈各档位参数（表1）以及理论计算消弧线圈应补偿电抗值，决定从7档开始，逐次减档接入消弧线圈进行接地电流的测试。
理论计算当消弧线圈电抗值 时，将产生可能危及设备安全的谐振过电压，试验过程中可能经过谐振点，试验电压升至（9kV）进行试验。
现场采用单相金属接地法（图2）进行接地电流的测试。接入消弧线圈，在发电机出口261YH A相一次保险上部（母线侧）接一根短路接地线，并串入电流表测量接地电流。
接地电流现场测试过程中，接地电流的正弦工频电流波形上叠加有大量高频振荡波形，零序电流波形几乎被高频振荡波形掩盖[3]。使用普通电流表所测为电流有效值，其中包含了高频振动信号，在现场干扰较大时，消弧线圈在不同档位时接地电流变化不明显或者变化没有规律，导致无法判断谐振点的位置，试验失去了意义。本次试验针对这一问题，采用特殊电流表（测量基波电流）以及谐波分析仪对接地电流进行分析，从接地电流中分离出了零序分量。相关测试结果见表2。
1) 绘出接地电流及接地电流基波分量与档位的坐标图（图3、图4）。可以推出，谐振点位于消弧线圈5档和6档之间，且6档为过补偿。这与1中理论计算是一致的。
2) 从接地电流与接地电流的基波分量数值来看，现场测量时接地电流基波分量上的确叠加有大量的高频分量，这些高频分量如不有效的分离，将对测试结果的判断产生影响。
3) 本次测试结果测试电压为（9kV），相应地，按规程[2]要求接地电流值不应超过0.5A。在不去除接地电流中高频信号的情况下，现场无法满足规程的这一要求；仅考虑接地电流基波分量时，消弧线圈5档、6档、7档满足规程要求。
4) 结合试验中中性点电流值与消弧线圈各档位额定电流进行分析，消弧线圈各档位电流满足现场要求。
3 消弧线圈档位的确定
依据规程[2]规定：出口电压为18kV及以上的发电机组，发电机单相接地电流允许值为1A，若大于允许值，宜以消弧线圈（欠补偿）接地。
试验结果显示，不接入消弧线圈补偿的情况下，发电机接地电流为10.53A；消弧线圈欠补偿接入后，接地电流（叠加了高频成分）无法满足小于1A的要求，当仅考虑接地电流基波分量时，小于1A的档位仅为第5档（0.88A）。
大量试验数据表明，电网单相接地电流熄弧临界值为11.4A，当电网单相接地电流>11.4A时，易产生弧光接地过电压[5]。一般中小容量的发电机当单相接地电流>5A时可能出现电弧，而<5A时接地点不会出现电弧[6]。
考虑消弧线圈接入5档时过于靠近谐振点，产生谐振过电压的几率增加，以及造成发电机正常运行时出口零序电压3U0增大，最终选择接入4档投入运行。因消弧线圈接入4档时，接地电流值为2.92A，接地电流基波分量为1.06A；与5档（接地电流值为2.76A，接地电流基本分量0.88A）相比，接地电流虽略有增加，但远离了谐振点，并降低了3U0。
在6号发电机接消弧线圈4档投运后，实测3U0为3.53V，满足保护3U0<5V要求。最终，天生桥水力发电总厂6号机消弧线圈投入4档运行。
4 结语
1) 发电机中性点消弧线圈档位的选取，其实质在于确定一个“最优”的档位。该档位下消弧线圈接入后，接地电流小于规程规定值；且发电机正常运行时，出口零序电压3U0满足继电保护整定的要求。
2) 当1）中两点不能够同时满足时，优先考虑3U0满足继电保护整定，消弧线圈补偿后不易造成谐振过电压的档位投入运行。
3) 接地电流测试前，首先对发电机电容量和电容电流进行现场测量，据此进行理论计算，按理论计算结果初步确定消弧线圈的接入档位。这样可节省现场试验的人力物力，减少发电机启停次数。
4) 发电机接地电流测试过程中，现场干扰较大，使用普通电流表测量接地电流，可能导致试验结果始终无法满足要求，更重要的是，由于高频成分的影响，造成无法准确判断谐振点位置，使试验失去意义。在现场试验中使用谐波分析仪对接地电流进行分析，从中分离出基波分量，依据基波分量的变化规律准确判断谐振点位置，最终选取“最佳”档位投入运行。
参考文献：
1. 王维俭，桂林，王祥珩，等.大型发电机中性点接地方式的反思与忧虑[J].电力设备,2007,8(11):1-4.
2. 王维俭，孟庆和，宋继成，等.大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].北京：中国电力出版社，2000.
3. 吴湘黔，高尚政，马晓红.发电机消弧线圈档位的选取[J].高电压技术，2007,33（12）：211-213,219.
4. 《水电站机电设计手册》编写组.水电站机电设计手册[M].北京：水利电力出版社，1989.
5. 汤放奇，李景禄，曾祥君，等.补偿电网中性点位移电压异常的原因及对策[J].高电压技术，2005,31（4）：12-13.
6. 李平学，刘贤枚.关于李家峡水电厂400MW发电机中性点接地方式和接地保护的分析[J].西北电力技术，2004,32（6）：49-51.
作者简介：
杜鑫，男，（1986—），助理工程师，2008年参加工作，从事电厂高电压试验工作。