大型发电机中性点采用高阻抗配电变压器接地的配置方法

陈渝士，陶亦寿

（长江科学院武汉长江仪器自动化研究所，武汉 430010）

大型发电机中性点采用高阻抗配电变压器接地的配置方法

陈渝士，陶亦寿

（长江科学院武汉长江仪器自动化研究所，武汉 430010）

大型发电机定子绕组对地电容较大，发生定子单相接地故障时电容电流也较大，采用中性点经配电变压器接地方式，能起到对过大故障电流限制的作用。采用高阻抗变压器作为中性点接地变压器的配置方法，利用变压器内在电抗生成的电感性电流，对故障电容电流进行部分补偿，在满足抑制故障暂态过电压要求的同时，将接地故障电流限制在允许范围内，解决了配置大型发电机中性点接地装置中常见的接地故障电流过大问题。

发电机中性点；接地装置；高阻抗变压器；配置方法

1 概 述

发电机中性点经配电变压器接地方式是目前广泛采用的一种高电阻接地方式。该方式以一台单相配电变压器作为中性点的接地变压器，而中性点经变压器一次侧接地，变压器二次侧接入一合适的负载电阻。这种接地方式的主要原理及功能是：在发电机发生定子单相接地故障，中性点出现对地零序电压时，发电机电压系统对地电容通路中将产生电容性电流，引发故障暂态过电压，危及发电机定子绕组安全；此时，接地装置在中性点对地电压作用下投入工作，变压器二次侧所带负载电阻产生有功功率损耗，将事故暂态过电压限制在允许范围内，防止定子绕组绝缘被击穿，同时，继电保护电路从变压器二次侧获取事故信号和工作电源，在其配合下，断路器快速跳闸，切除机组，防止事故扩大。

根据ANSI／IEEEC37.101《发电机接地保护导则》和ANSI／IEEE C62.92《同步发电机中性点接地应用导则》，发电机中性点采用配电变压器接地方式应遵循以下原则：

（1）取中性点接地电阻值等于发电机电压系统三相对地容抗值，或中性点对地电阻性电流值等于电容性电流值，使限制故障暂态过电压和故障电流的综合效果达到最佳，此时暂态过电压峰值约为2.6倍相电压。

（2）接地故障电流限制在允许范围内。

按照以上原则进行接地装置配置的基本方法是：按发电机的额定电压、发电机电压回路对地电容等基本参数计算发电机单相接地故障电容电流；按照流经接地装置的电阻性电流等于故障电容性电流的原则，计算变压器运行容量并考虑其短时过载能力后选型；按照中性点对发电机电压系统三相对地容抗相等原则计算和确定变压器二次侧所需配置的负载电阻值并计算所需功率；完成其他设计并验算［1，2］。为简化设计，该方法仅考虑变压器自身阻抗中的内阻部分（计入负载电阻），而忽略其中感抗部分的影响，这是因为一般变压器的感抗较小，对计算结果影响不大，且其作用是减小电容性电流，忽略该因素只会增大设计的安全裕度。

在上述设计方法中，接地故障电流在发电机参数已定的情况下是一个定值，设计中仅作验算，对于一般中小型发电机，由于发电机电压系统对地电容值不大，发生定子单相接地短路故障电流值一般也不会太大，不会构成对机组的损伤，在这种情况下，采用以上设计方法是可行的。

对于一些大型发电机组，由于发电机电压系统对地电容较大，发生定子单相接地故障时的电容电流值较大，再加上流经接地装置的电阻性电流，总的接地短路故障电流往往远超出允许范围，如不加限制，则过大的接地故障电流可能导致定子烧损，甚至会很快扩展为其他健全绕组相间或匝间短路，因此亟须引起高度重视。

解决大型发电机中性点经配电变压器接地方式出现接地故障电流过大问题的一个有效措施，是在接地装置中增加适量的电感，以便生成与电容性电流相位相反的电感性电流，对过大的故障电容性电流进行部分补偿，使总的接地故障电流降至允许范围。

加入电感量的方法可采用电抗器；另一可行方法是将所需阻抗值用于增大配电变压器的阻抗来实现，即直接采用高阻抗变压器。这2种方法作用等效，后者可以减少电抗器的安装及维护工作量，减少运行成本［3］，因而更合理。

本文结合某工程700 MW级发电机组中性点接地装置的设计，简要介绍采用高阻抗配电变压器配置发电机中性点接地装置中关于变压器阻抗和负载电阻2个主要参数的设计取值方法。

2 中性点接地装置配置的原理简介

发电机中性点配置高阻抗配电变压器接地时，发生定子单相接地故障状态的简化等效电路如图1。为简化讨论，简化等效电路及以下分析计算均按接地变压器一次侧进行。

图1 发电机中性点高阻抗接地方式等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of the generator neutral grounding w ith high im pedance

图1 中各电流值与相关参数的关系如下式：

式中IE为中性点接地故障电流。

IE由IC，IL和IR3部分组合而成，IC在发电机参数已定的情况下是一个定值，IL和IR是流经接地装置电流的2个分量，可起到调节接地故障IE大小的作用。IL和IR的大小主要由变压器阻抗和负载电阻值2个参数决定，设计时须进行综合调整。

根据中性点接地装置的配置原则，有关参数须满足以下设计条件：

式中：IC0＝（IC－IL）为净电容性电流（接地故障电流中电容电流）；IElim为接地故障电流限制值（一般为3～25 A，大型机组不超过30 A）。

将式（1）代入式（2），可求解得出满足接地装置设计条件的感抗与负载电阻这2个参数的取值范围，在此基础上可进一步计算和选定接地变压器的阻抗电压百分比及二次负载电阻器的电阻值。

以上直接求解方法比较繁琐，且求解结果还需结合相关系列标准进行调整，因此采用先预选参数再验算和调整的设计方法更为简便，即根据基本设计条件，按照接地装置的基本配置方法和设计经验，初选出待定参数，经设计和验算后，再对初选参数进行调整，从而得到满意结果。

3 大型发电机组中性点接地装置设计

发电机中性点接地装置的设计包括电气参数计算、设备容量计算与选型、结构设计等多项内容，本文简要介绍其设备配置中对接地变压器阻抗（uk）和负载电阻（R）2个主要参数的计算与取值过程。

3.1 发电机参数

发电机额定值：功率700 MW，电压U＝20 kV；

发电机回路单相对地电容（含母线及主变低压绕组）：C＝3.68（μF／ø）

发电机电压系统三相对地容抗：XC＝1／（3ωC）＝288.47（Ω）

发电机单相接地故障电流（电容性电流）：IC＝

3.2 接地变压器

型式：环氧浇注单相铜芯干式变压器。

额定电压：一次侧U1n＝20 kV；二次侧0.9 kV。

变压器容量：S＝125 kVA（取变压器一次侧电流值等于发电机电压回路的故障电容电流，并考虑变压器短时工作过载能力后而进行计算选定）。

绝缘材料等级：H级；

阻抗电压百分比：uk＝7%（初选）；

负载损耗：Pk＝2.25 kW；

3.3 负载电阻

负载电阻：R＝XC＝288.47（Ω）（负载电阻为二次侧电阻器电阻与变压器内阻之和归算至一次侧的电阻值，按发电机电压系统三相对地容抗值初选）。

3.4 计算分析

图1中各电流值按初选参数计算结果如下：

接地故障电流IE超出允许范围，不符合式（2）设计条件要求，需要重新调整初选参数。

3.5 参数调整与验算

图2反映在设计参数取值范围内，接地故障电流与变压器阻抗及负载电阻间的关系。

图2 接地故障电流、变压器阻抗及负载电阻间关系Fig.2 Relationship among the ground-fault current，transformer impedance，and load resistance

从图2可以看出：接地故障电流随变压器阻抗电压百分比的提高会明显下降，其原因就是电感性电流抵消了部分电容性电流；对应同一变压器阻抗等级的曲线，接地故障电流会随着负载电阻的减小而呈现下降趋势，这是因为减小电阻降低了接地装置的总阻抗，使得流经接地装置的电流增大，而电阻的减小又使电感部分所占份额增大，其效果是使接地故障电流呈下降趋势。但是负载电阻也不能过于减小，否则电阻性电流与电容性电流之比过大，不符合两者的最佳综合效果，导致设备负荷容量的无谓增大。

按照图2曲线变化规律，对设计参数调整如下：变压器阻抗电压百分比uk从7%升至8%，在负载电阻不变的情况下接地故障电流仍稍大于30 A，如变压器阻抗再提高，则增加了变压器的制造难度和成本，故适当减小负载电阻值，进一步下调接地故障电流。

最终调整结果：变压器阻抗电压百分比取uk＝8%；负载电阻值取初选值的95%，即R＝0.95XC＝274.05（Ω）。

验算结果：

符合式（2）设计条件要求，参数取值合理。

4 结 论

近年来，随着我国电力工业快速发展，系统装机容量不断增加，大型发电机组越来越多地采用中性点经配电变压器接地方式。对于大型发电机（尤其是水轮发电机），由于定子绕组的对地电容较大，发生定子单相接地故障时的对地电容性电流较大，因而配置这类中性点接地装置时，如何将发电机发生定子单相接地时的总故障电流限制在合适的范围之内，以避免发电机定子受损，成为设计需要优先考虑的问题。

本文介绍的采用高阻抗变压器作为中性点接地变压器的配置方法，利用高阻抗变压器的内在电感所生成的电感性电流补偿部分中性点故障电容性电流，使发电机发生单相接地短路故障时，系统暂态过电压和发电机发生定子单相接地时的总故障电流均限制在允许范围内，解决了配置大型发电机中性点接地装置中常见的接地故障电流过大问题。该方法已成功应用于700 MW级发电机中性点接地装置设计之中。

［1］ 薛紫球.大型发电机中性点接地装置的研制［J］.人民长江，1995，26（3）：16－21.（XUE Zi-qiu.Development of Neutral Earthing Devices for Large Generators［J］.Yangtze River，1995，26（3）：16－21.（in Chinese））

［2］ 陶亦寿，金 逸，陈渝士，等.天堂抽水蓄能电站发电电动机中性点接地装置研制［J］.水力发电，2005，31（12）：65－67.（TAO Yi-shou，JIN Yi，CHEN Yu-shi，et al.Research＆Production of the Generator Neutral Point Earth Device of Tiantang Pump-Storage Power Station［J］.Water Power，2005，31（12）：65－67.（in Chinese））

［3］ 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——致各大发电公司、发电厂和设计院同行［J］.电力设备，2007，8（11）：1－4.（WANG Wei-jian，GUI Lin，WANG Xiang-heng，et al.Reconsideration and Anxiety of Neutral Grounding Mode for Large Generator［J］.Electrical Equipment，2007，8（11）：1－4.（in Chinese））

［4］ 乐启昌，乐萧彤.高阻抗变压器的应用［J］.黑龙江电力，2001，23（6）：442－445.（LE Qi-chang，LE Xiaotong.Application of High Impedance Transformer［J］.Heilongjiang Electric Power，2001，23（6）：442－445.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Configuration of Large Generator Neutral Grounding Through High Im pedance Distribution Transformer

CHEN Yu-shi，TAO Yi-shou
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430011，China）

The excessive fault current induced by stator single-phase earth faultand big ground capacitance of stator winding of large generator can be restricted by neutral grounding through distribution transformer.This paper introduces a configuration method of generator neutral grounding device with high impedance distribution transformer.The fault capacitive current is partly compensated by the inductive current generated from the internal reactance of the transformer，and the ground-fault current is limited within an allowable range while the fault transient overvoltage is restrained.

generator neutral；grounding device；high impedance transformer；configuration method

TM31

：A

1001－5485（2011）09－0068－03

2011-06-17

陈渝士（1958-），女，四川通江人，工程师，从事机电设备设计与制造工作，（电话）027-82829765－201（电子信箱）chenys417＠sina.com。