发电机中性点接地装置阻抗参数设计

乔照威，李洪超

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

发电机中性点接地装置阻抗参数设计

乔照威，李洪超

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：发电机中性点接地装置对保护发电机安全运行起到重要作用。随着发电机容量不断提高，中性点接地方式也得到了发展。通过对单相接地故障系统进行分析，提出适用于不同中性点接地方式的通用公式，继而根据不同接地方式分情况进行讨论分析。对接地装置阻抗参数进行设计，保证故障电流满足相关标准要求，最后以水轮发电机中性点接地装置设计为例，对采用高阻接地和消弧线圈接地两种方式的阻抗参数进行设计。

关键词：中性点接地方式；单相接地故障；高阻接地；消弧线圈接地

0引言

由于发电机及其机端设备存在着对地电容，当发电机发生绕组单相接地故障时，故障电流将对发电机及其机端设备造成破坏[1-4]。发电机中性点装置目的在于限制故障电流及故障时间，有效保护发电机及其机端设备，并防止故障范围扩大化。中性点接地方式选择与发电机容量、接地保护方案等密切相关，其可分为不接地或经电压互感器接地、电抗器接地、高阻接地、消弧线圈接地等类型[5-6]。对于早期小容量发电机，由于单相接地故障电流一般为1～2 A，往往采用不接地或经电压互感器接地方式。随着发电机容量不断增大，特别是300 MW及其以上大型、巨型发电机组投入运行，这种接地方式不再满足发电机安全运行要求，目前主要采用高阻接地或消弧线圈接地两种方式。针对单相接地短路中性点接地系统，提出适用于不同中性点接地方式的通用公式，并分情况进行讨论分析，对不同接地方式中阻抗参数进行设计，最后利用分析结果对水轮发电机中性点接地装置中阻抗参数进行设计。

1单相接地故障中性点接地系统

假定发电机A相直接接地短路，并忽略定子绕组阻抗压降，发电机中性点连接中性点接地装置，如图1所示。

图中，UA，UB，UC为发电机各相电压；CA，CB，CC为发电机各相接地电容；中性点接地装置可采用不同接地方式。图中示意为变压器(二次侧)串接阻抗的接地方式，Z可采用电阻器或电抗器。发电机中性点亦可不经变压器直接连接电阻器或电抗器。

图1　单相接地故障中性点接地系统示意图

为便于计算分析，将图1转化为等效电路形式，如图2所示。

图2　单相接地故障中性点接地系统等效电路图

首先，由图2可得电容电流

(1)

(2)

假定Z=R+jXL，可得阻抗电流

(3)

式中，电阻电流

(4)

电抗电流

(5)

根据基尔霍夫电流定律，故障相电流(入地电流)

(6)式(6)中，虚部(IC-IL)表示变压器对电容电流的削弱作用，通常，在工程计算时忽略变压器参数的影响。在后文分析时，将(IC-IL)视为广义的电容电流。

若考虑各电流为已知量，则阻抗可表示为电阻部分(实部)

(7)

电抗部分(虚部)

(8)

式(7)与式(8)即为计算中性点接地装置阻抗参数通用公式。

2不同中性点接地方式阻抗参数设计

1) 阻抗Z为理想电阻器，即Z=R

采用理想电阻器作为中性点接地装置，该情况为高阻中性点接地方式。根据ANSI/IEEEStdC62.92.2TM—1989《IEEEGuidefortheApplicationofNeutralGroundinginElectricalUtilitySystemsPartⅡ-GroundingofSynchronousGeneratorSystems》的要求，对于高阻接地方式，在发电机发生单相接地故障时，故障相电流(入地电流)应小于15A(5～15A)，即

(9)

又根据导则发电机允许过载时间为10 min，过电压峰值限制在2.6倍相电压以下。为满足这一要求，应使发电机电容电流小于或等于电阻电流，即

(IC-IL)≤IR

(10)

结合式(9)与式(10)可知

(11)

即

(12)

令电容电流(IC-IL)10 A，则电阻电流IR=11 A，故障相电流(入地电流)Ia=14.87 A<15 A满足规范要求。

将上述关系代入式(7)与式(8)，得

(13)

(14)

或将式(14)表示为电感形式

(15)

工程设计中往往忽略变压器参数的影响，则

(16)

(17)

电抗值

(18)

或电感值

(19)

2) 阻抗Z为理想电抗器，即Z=XL

此时，电阻电流部分仅由变压器承受。若仍按照前述规范要求进行分析，并应用于式(7)与式(8)，则

(20)

(21)

若忽略变压器参数的影响，即电抗器直接与发电机中性点相连，则该中性点接地方式可等效为电抗器接地或消弧线圈形式。

3) 消弧线圈接地(理想电抗器)

此时，电抗器与发电机中性点直接相连，无电阻电流IR，则故障相电流(入地电流)为

(22)

由式(22)可知，利用电感电流的补偿作用(调谐作用)，可将电容电流降低至几安培，理论上可降至0 A。根据DL/T 5090—1999《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计导则》规定，采用消弧线圈接地方式时，宜采用过补偿，且发电机允许单向故障电流值如表1所示。

表1　发电机允许单相故障电流

此时，可根据表1中故障电流大小，利用前述分析方式计算电抗器设计值。另根据导则要求，若消弧线圈容量不足，允许短时欠补偿运行，但脱谐度

(23)

不宜超过10%。根据该要求则电抗器设计电感值

(24)

此时，故障相电流

(25)

3案例分析

某水轮发电机组，设计容量为888.9 MVA，额定电压为23 kV，发电机回路总电容为3.922 uF。分别考虑采用高阻接地方式和消弧线圈接地方式对中性点接地装置进行设计。

1) 高阻接地方式

该项目在实际执行时，根据三峡运行经验，取故障相电流(入地电流)小于30 A作为要求，且考虑变压器电感对电容电流的补偿作用，于是，对式(13)与式(14)修改，得

(26)

(27)

代入其它参数值，得

R+Rk=219.727 Ω

(29)

Xk=290.424 Ω

(30)

根据变压器选型设计，其变比为13.74，二次侧电阻为0.336 Ω，则将式(29)折算至变压器二次侧，可得串联电阻器阻值为0.828 Ω。此时，故障相电流为29.73 A<30 A，满足设计要求。

图3为采用高阻接地时故障电流仿真波形。

图3　采用高阻接地故障电流波形

2) 消弧线圈接地方式

项目执行时采用高阻接地作为中性点接地方式，由于设计中增大了变压器电感要求，增加了变压器制造难度。考虑采用消弧线圈接地方式时，若消弧线圈容量足够大，则可将电容电流充分补偿，使故障相电流满足表1中要求；若消弧线圈容量不足，则电感值可根据式(24)进行设计，此时，L=0.957 H，故障相电流为4.91 A。

图4为采用消弧线圈接地时故障电流仿真波形。

图4　采用消弧线圈接地故障电流波形

4结语

文章针对发电机中性点接地装置阻抗参数进行了研究设计。对于发电机单相接地故障系统，存在多种中性点接地方式。首先，提出了适用于不同中性点接地方式的通用公式，在此基础上，分别根据不同接地方式进行了研究分析，得到了适用于各种接地方式的阻抗参数计算公式。最后，利用分析结果分别以高阻接地和消弧线圈接地两种方式为方案对水轮发电机中性点接地装置阻抗参数进行了设计。文章提出的计算公式具有普遍适用性，可广泛应用于水电、火电等发电机中性点接地装置阻抗参数设计等工程领域。

参考文献

[1]毕大强，王祥珩，王维俭．大型水轮发电机中性点接地方式的若干问题分析[J]．电工技术学报，2002，17(4)：7-12．

[2]张琦雪，王维俭，王祥珩．三峡大型发电机中性点接地电阻的合理选择[J]．继电器，2005，33(15)：5-8．

[3]陈渝士，陶亦寿．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[J]．长江科学院院报，2011，28(9)：68-70．

[4]陶东昕，杨开黎，李金萍．发电机定子绕组单相接地保护配置的探讨[J]．大电机技术，2012，(3)：25-27．

[5]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．

[6]IEEE Power Engineering Society．IEEE Guide for Generator Ground Protection[S]．IEEE Std C37.101TM—2006，2007．