清远抽水蓄能电站发电机高阻接地设备参数校验

陈 涵

(广东省水利电力规划勘测设计研究院，广州 510635)

清远抽水蓄能电站发电机高阻接地设备参数校验

陈 涵

(广东省水利电力规划勘测设计研究院，广州 510635)

清远抽水蓄能电站发电电动机中性点采用高阻接地方式。相较中性点不接地方式和经过消弧线圈接地方式来说，中性点经过高阻接地方式具有更大的单相接地短路电流。因此，采用中性点经过高阻接地方式的机组，发生单相接地短路时，不再允许带故障运行，接地保护必须动作于发电电动机故障跳闸。文章对清远抽水蓄能电站发电电动机中性点接地设备参数进行校验。

抽水蓄能电站；发电机；高阻接地设备；参数校验

1 概 述

广东清远抽水蓄能电站位于广东省清远市的清新县太平镇境内，地理位置处于珠江三角洲西北部，直线距广州75km，距清远市32km，是一座日调节的纯抽水蓄能电站。厂内安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机机组，单机容量(发电工况)320MW，总装机容量1280MW。地面中控楼，布置在洞外。电站水轮发电机由东芝水电设备(杭州)有限公司生产并供货，发电机中性点接地采用经过接地变压器高阻接地方式。

2 发电机中性点接地方式

根据系统容量的不同、主接线形式的不同、电站装机容量的不同、机组单机容量的不同，以及不同系统对不同发电机的不同的运行习惯和要求，各电站的发电机的中性点的接地方式不尽相同。目前国内主流电站的中性点接地方式主要有中性点不接地方式、中性点直接接地方式、中性点经过消弧线圈接地方式、中性点经低电阻接地方式、中性点经高电阻接地方式、中性点经电抗器接地方式等。

2.1 中性点不接地方式

中性点不接地方式是最简单的机组中性点接地方式，这种方式可以省去发电机中性点接地设备，具有一定的经济性。

采用中性点不接地方式时，发电机出口发生定子单相接地故障时，故障电流的分布情况见图1。

图1 故障电流的分布情况

当发电机正常运行时，三相电容电流互相平衡，发电机中性点没有电容电流流过。

2.2 中性点直接接地方式

中性点直接接地系统又称为大接地电流系统，如图2所示。

在这种方式下，因为中性点直接接地，因此可以很有效的防止中性点过电压的问题。但当中性点直接接地系统发生单相接地短路时，会形成单相短路，从而产生很大的故障电流，甚至会大大超过三相金属性短路的故障电流的数值，因此一般只有单机容量为几百千瓦，机端电压为0.4kV的发电机组会采用这种方式[2]。

图2 大接地电流系统

2.3 中性点经消弧线圈接地方式

中性点经过消弧线圈接地方式是目前国内机组比较普遍的接地方式。这种方式在发电机中性点串入感性阻抗，用于和发电机及其连接母线中的电容发生并联谐振[3]。

当中性点经消弧线圈接地的发电机发生单相接地故障时，发电机及其连接母线对地电容、发电机中性点接地消弧线圈感性阻抗、发电机中性电消弧线圈电阻形成并联回路，其等效电路图见图3。

图3 等效电路图

其中R为消弧线圈的电阻。

理论上，在消弧线圈性能参数与系统电容匹配的情况下，电感电流能够很好的补偿接地电容电流，使接地电流接近于零，从而保护发电机定子绕组。

2.4 中性点高阻接地方式

发电机中性点经高阻接地方式是近年来大中型水轮机组和抽水蓄能电站广泛采用的中性点接地方式。这种接地方式主要由两种类型，一种是通过中性点串联数值为上百欧至几千欧的高电阻接地；另一种采用中性点串联配电变压器二次侧连接电阻接地。[5]清远抽水蓄能电站发电电动机组采用中性点经过接地变压器二次线圈带电阻的高阻接地方式，如图4所示。

图4 高阻接地方式

值得一提的是，抽水蓄能电站在背靠背启动运行模式下，如果两台机组同时高阻接地，如图5所示。

则在机组正常运行时，机组的不平衡电流将反应到机组中性点上，过大的不平衡电流将对定子绕组造成损伤，并可能造成95%定子绕组单相接地保护和100%定子绕组接地保护误动作；如果在这个时候发生单相接地短路故障，则拖动机和起动机的中性点电位同时发生偏移，那么流过接地故障点的电流将是2台机组的电容电流和接地电阻电流之和，将大大超出单机运行时的故障电流，造成定子绕组损伤。因此在背靠背启动模式下，一般选择断开拖动机组的接地隔离开关，以限制接地短路故障电流，并防止保护误动作。

图5 两台机组同时高阻接地

3 中性点高阻接地设备校验

根据IEEE标准发电电动机接地保护的章节的描述，为了限制发电电动机在单相接地短路故障情况下的机械应力和故障电流对定子绕组造成的损伤，单相接地故障电流一般控制在3A到25A之间，以下针对这个原则对清远抽水蓄能电站发电电动机中性点接地设备参数进行校验。

3.1 接地变压器

根据IEEE标准StdC37.102-2006，接地变压器一次侧电压可等于或大于发电电动机额定相电压。清蓄发电电动机中性点接地变压器一次侧电压采用发电电动机额定相电压，即UNP=15.75kV。二次侧电压采用500V,即UNS=500V。

3.2 接地电阻

一般认为，当作用于发电电动机的过电压不宜超过2.6倍的额定相电压时，机组是安全的。而通过理论计算及仿真分析，当中性点接地设备吸收的有功功率大于或者等于对地电容消耗的功率时，发电机弧光过电压及发电机故障甩负荷过电压不会超过发电电动机额定相电压的2.6倍，也就是在安全范围内。

于是有以下公式：

(1)

RNP为接地电阻反应到接地变压器一次侧的电阻值；

RT为接地变压器的电阻，RT≤10%RNP；

XT为接地变压器的交联电抗，XT≤25%RNP。

Co为15.75kV系统的每相的对地电容：其中发电电动机相对地电容Cogen=0.85uF；主变15.75kV侧线圈对地电容Cotfo1=0.0125uF；15.75kV母线接地电容CoIpb=0.0039uF，厂用变压器及励磁变压器15.75kV侧的电容Cotfo2=0.01uF+0.01uF=20nF；机组断路器Cobreaker=0.13uF。

于是当机组正常运行时，有：

Co=Cogen+Cotfo1+Coipb+Cotfo2+Cobreaker+CoIpb=1.05uF。

机组同期以前，有：

Co=Cogen+Cobreaker=1.03uF。

背靠背启动时，有：

Co=2Cogen+Cobreaker+Cotfo1+Cotfo2=1.84uF。

根据(式1)，有：

XT≤25%RNP=118.2Ω。

发电机发生最大单相接地短路时，故障电流为：

其中，Z1、Z2可忽略，

因此要将故障电流控制在25A以下，则：

Z0≥1146Ω。

RNP≥413.5Ω。

因此接地电阻反应到接地变压器一次侧的电阻值RNP应符合：

498.4Ω≥RNP≥413.5Ω。

则接地变压器二次侧允许的最大阻值为：

接地变压器二次侧允许的最小阻值为：

4 结 论

[1]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．

[2]吴聚业．600Mw发电机中性点接地变压器参数分析[J]．电力设备，2005，6(04)：34-37．

[3]殷建刚，蔡敏，彭丰，等．发电机中性点经配电变压器接地的配置方法[J]．湖北电力.2002，26(03)：28-30.

1007-7596(2017)06-0104-03

2017-05-20

陈涵(1985-)，男，浙江浦江人，工程师。

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