大型发电机中性点不同接地方式单相接地故障特征研究

陈熙平，季 杰，马金涛，金文俊，曹 钢，蔡显岗

（雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川 西昌 615000）

0 引言

随着电力系统的发展，电力系统容量越来越大，同样发电机组的单机容量也越来越大，而大容量的电机电容电流不断增大。在发生定子接地故障时，故障点的接地电流受发电机电容电流、中性点的运行方式、接地电阻和故障位置的影响。

目前我国大型发电机中性点主要有不接地方式、经高阻接地（经配电变压器接地）方式和经消弧线圈接地三种接地方式[1]。在发电机发生单相接地故障时，不同的接地方式，将有不同的接地故障电流和动态过电压。对于继电保护而言，当机端单相金属性接地电容电流IC小于允许值时，发电机中性点可不接地，单相接地保护可带时限动作于信号；当IC大于允许值时，宜以消弧线圈接地，补偿后的参与电流（容性）小于运行值时，保护可带时限动作于信号；当消弧线圈退出运行或由于其他原因使参与电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机。发电机中性点经配电变压器高阻接地时，当故障电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机；当故障电流小于允许值时，保护可带时限动作于信号。

本文针对发电机三种接地方式下的单相接地故障进行研究，通过对比分析出单相接地故障特征，为定子接地故障分析提供参考依据。

1 计算参数

某水电站最大水头321m，额定水头288m，共安装8台混流式水轮发电机组。发电机与主变压器通过断路器相连接，形成单元接线。本文以该电站水轮发电机组为例进行分析，具体参数见表1。

2 单相接地故障时电气量分析

2.1 发电机中性点不接地方式

当发电机故障相（本文以A相为例进行计算）在距中性点α（α为故障点到中性点的匝数与单相单分支绕组总匝数的比值）处经过渡电阻Rf接地时，如图1所示[2]，发电机三相绕组电动势分别为单相对地总电容为Cg，求解零序电压故障点故障电流和机端三相对地电压

表1 发电机设备参数

图1 中性点不接地发电机单相接地故障

根据基尔霍夫定律可以得出：

可得：

式中：ω为机组运行角速度。

故障点的故障电流：

因此，可计算接地故障时机端三相电压如下：

由式（2）可知当Rf=0～∞变化时，=-～0。若在发电机机端发生单相接地故障时（α=1），有最大的零序电压和零序电流。

2.2 发电机中性点经高阻接地方式

对于电容值较大的发电机组，当发电机组中性点不接地时，在形成故障时的接地电容电流过大，容易破坏绕组对定子铁心的绝缘，而形成常见的单相接地故障。若不及时发现，再出现另一接地点，就会造成匝间或相间短路，使发电机受到更严重的破坏。因大型发电机定子的电容电流往往数倍超过安全接地电流值，故应采用消弧线圈方式进行补偿。

2.2.1 接地电阻的选取

当电网中性点以不接地方式运行，发生单相接地故障时，即使对地电容电流不大，由于对地电弧的燃烧和熄灭的重复过程，使健全相的电位可能升高并破坏其绝缘水平，甚至发生相间短路故障。在中性点通过高电阻接地，则可在熄弧后释放其能量，降低中性点电位，故障相的电压恢复速度也变慢，减少了电弧重燃的可能性[3]。即接入发电机中性点高电阻的大小，将影响发电机单相接地时健全相暂时过电压值。

为限制动态过电压不超过2.6倍的额定电压[4]，接地电阻（一次值）取值为：RN≤ 1 /3ωCg。结合表1的相关数据，可得：

2.2.2 故障分析计算

与发电机不接地系统相同，此处只分析发电机机端单相接地故障，经不同过渡电阻值Rf接地时电气量变化。

图2 经高阻接地发电机单相接地故障

根据基尔霍夫定律可以得出：

可得：

故障点的故障电流：

该接地方式下接地故障时机端三相电压计算公式同公式（4）～（6）。

2.3 发电机中性点经消弧线圈接地方式

中性点经消弧线圈接地，当发生定子绕组单相接地故障时，电感电流可以补偿接地故障的电容电流。在发电机内部发生短路时，降低了定子铁心损害[5]。使发电机能够在故障情况下运行一段时间，减少了对系统的冲击。

经消弧线圈接地又分别分为欠补偿、过补偿和谐振接地，本文以谐振接地方式进行分析。

2.3.1 接地电阻的选取

中性点谐振接地的发电机机端发生单相金属性接地故障时等效零序电路如图3所示。图中RL和RC0分别为消弧线圈和发电机定子绝缘介质损耗等效电阻。

图3 单相接地等值电路

机端单相金属性接地故障时等效零序阻抗Z0为：

为避免理论上的谐振状态，应使消弧线圈有一定大小的电阻RL，同时假设 3RL=RC0，考虑到RL，RC0＜＜xL，则有

实际上为防止主变高压侧发生接地故障时的零序电压UH0通过耦合电容传递到发电机侧而引起过电压，Z0不能太大，即RL不能太小。由图4可知高压侧接地故障时发电机机端电压：

由此可得：

图4 主变高压侧零序电压传递到机端的过电压

与该发电机相连的主变压器的设备参数见表2。

表2 变压器参数

根据表1的数据，发电机允许的相对地最高电压为20kV，则有：

即UG≤ 8 .45(kV)。

将表2及UG的数值代入式（12）中得：

Z0=52128.5Ω

将Z0代入到式（11），可计算出：

RL=6.86Ω

通过计算，只要消弧线圈参数为6.86+j488.53Ω就可保证当主变高压侧发生单相接地故障时对发电机的传递过电压不超过允许值20kV。

2.3.2 故障分析计算

发电机中性点经消弧线圈接地机端单相接地故障示意图与经高阻接地单相故障示意图 2类似，此处使用图3单相接地等值电路图模型，机端经过渡电阻接地如图5所示。

故障点的故障电流：

零序电压：

该接地方式下接地故障时机端三相电压计算公式与公式（4）～（6）相同。

图5 经过渡电阻单相接地等值电路

3 MATLAB仿真分析

3.1 故障电压分析

结合表1的发电机参数，根据公式（2）、（4）、（5）、（6），利用MATLAB软件针对发电机出口处经不同过渡电阻接地故障情况进行仿真，三种不同接地方式下Rf变化时的变化轨迹和UAd、UBd、UCd、U0的曲线变化图。

图6 不接地方式Rf变化时的变化轨迹

图7 经高阻接地方式Rf变化时的变化轨迹

由图6和图7可以清楚地看到，发电机中性点不接地的方式下，当Rf=0～∞变化时，地电位点的轨迹是以故障相（本文是A相）模值为直径的半圆弧，将沿此半圆弧而改变；中性点经高阻接地时，地电位点的轨迹是以故障相模值为弦长的一段圆弧，沿此圆弧而改变。

中性点谐振接地时，由式（11）可知，Z0是阻性的，且谐振接地方式下的Z0远大于高阻接地方式下零序并联阻抗故该接地方式下U0变化轨迹是一段直线，如图8所示，U0轨迹与故障相相重合。

图8 谐振接地方式Rf变化时的变化轨迹

由图9～11可知：

（1）不接地方式下机端接地故障时故障相（本文为A相）的超前相（本文为UCd）最大故障电压超过线电压，达到 1.823倍的相电压值，滞后相最大故障电压为线电压；超前相有最小故障电压，为 0.823倍的相电压值；故障相与其滞后相在接地电阻为 850Ω处相交，即故障电压相等，若接地电阻大于该值，则故障相电压值介于非故障相之间。

（2）经高阻接地方式机端接地故障时故障相电压恒小于非故障相电压；且滞后相故障电压在接地电阻值大于2000Ω时几乎维持在额定电压附近。

（3）谐振接地方式机端接地故障时，非故障相电压相等。

（4）不接地和经高阻接地方式下当机端发生单相接地故障时，超前相故障电压总大于滞后相的故障电压；故障相电压总是小于额定相电压。

此外在距中性点α位置发生单相接地故障时，故障电压变化趋势与机端接地趋势相似。如图9所示，高阻接地方式在距机端 50%处单相接地时，与机端接地故障相比，50%处单相接地时非故障相电压最大值为1.323倍的相电压，零序电压值减半。

图9 中性点不接地机端故障电压与过渡电阻关系曲线

图10 经高阻接地方式机端故障电压与过渡电阻关系曲线

图11 谐振接地方式机端故障电压与过渡电阻关系曲线

图12 三种不同接地方式机端故障电压与过渡电阻关系曲线

由图12可看到，经相同的接地电阻接地，零序电压在高阻接地方式下最小，谐振方式下最大；故障相电压在不接地方式下最大，谐振方式下最小。

3.2 故障电流分析

不同接地方式下，经不同的过渡电阻接地时的故障电流见表3。

表3 不同接地方式下故障电流

由表3可以看到：三种接地方式下，经消弧线圈接地，单相故障时故障电流最小，机端金属性接地故障时，高阻接地方式下故障电流为不接地方式下的倍。随接地电阻的增大，不接地方式与高阻接地方式故障电流趋于相等。

4 结束语

由于发电机中性点接地方式的不同，当发电机发生单相接地故障时电气量的变化相差甚远。本文针对发电机中性点经不同接地方式时机端发生单相接地故障时电气量的对比分析，为机组发生定子接地故障时提供参考依据。

[1]DL/T 684-2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].

[2]毕大强. 发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J]. 电力系统自动化, 2004, 28(22): 55-57.

[3]刘其常. 发电机中性点接地方式探讨[J]. 继电器,2005, 33(13): 87-90.

[4]王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002, 186-262.

[5]吴湘黔. 发电机消弧线圈档位的选取[J]. 高电压技术, 2007, 33(13): 211-213.