1 000 MW水轮发电机中性点接地方式探讨

邹祖冰，陈 铁

(1.中国长江三峡集团公司，四川成都610041；2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌443002)

1 000 MW水轮发电机中性点接地方式探讨

邹祖冰1，陈 铁2

(1.中国长江三峡集团公司，四川成都610041；2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌443002)

发电机中性点常用的接地方式一般采用经消弧线圈接地或经高阻接地。大型机组的运行实践表明，这些接地方式都不适用于额定电压24 kV和额定容量1 000 MW的巨型水轮机发电机组。在分析了上述两种接地方式在巨型水轮机组运行中存在的风险之后，提出了一种混合接地方案。计算结果表明该方式可以有效地解决采用传统方式存在的隐患，为解决千兆级机组的中性点接地问题提供了思路。

中性点接地;混合接地;巨型水轮发电机

0 引 言

我国大型水轮发电机中性点主要采用2种接地方式，一种是消弧线圈接地，另外一种是经接地变的高阻接地[1- 2]。消弧线圈接地方式，国内已经有几十年的运行经验，该方式能有效地限制定子单相接地电流，并控制在国标允许的范围内。但在实际运行中可能会出现暂态过电压等问题，给发电机定子绕组的绝缘带来损害，使接地故障会转化为相间短路及匝间短路等其他故障。接地变高阻接地方式是国外大型水轮发电机普通采用的中性点接地方式，近年来大型水轮发电机基本上都采用这种接地方式。该接地方式通过大电阻来抑制暂态过电压，但单相接地故障电流会增大，加剧对定子铁芯的危害[3- 4]。

目前正在建设的水轮发电机单机容量已经达到1 000 MW，电压等级达到24 kV，这种巨型水轮发电机的中性点该如何接地？本文结合机组的实际参数对消弧线圈和接地变高阻两种接地方式进行了分析计算，并综合两种接地方式的有点，提出了一种适用于1 000 MW、24 kV巨型发电机组的中性点接地方式。

1 传统接地方式分析

图1为传统的发电机中性点接地方式，图1a中方式一为中性点经消弧线圈接地，方式二为中性点经高阻(接地变低阻抗)接地。机端发生金属性单相接地后，故障电流Ik包括两部分：固有的电容电流Ic和中性点零序电流In，可以分别用式(1)和(2)表述。

(1)

(2)

(3)

式中，UN为发电机额定电压；ω取314 rad/s；C∑为发电机定子回路单相对地总电容。；为发电机中性点接地阻抗，当采用消弧线圈接地时，Zn=RL+jωL；RL为消弧线圈内阻(一次值)，一般可以忽略；当接地变高阻接地时Zn=rn·n2，n为接地变变比，rn为二次侧电阻(二次值)。

采用经消弧线圈接地时，通过选择线圈的电感L很容易将接地电流限制住。但可能发生谐振接地，引起谐振过电压，危及定子绕组健全相使定子单相，使接地故障发展成为相(匝)间短路。实际运行结果表明单相接地故障间隙性弧光(暂态)过电压可达到3.0～3.6倍相电压[5-7]。

图1 传统的中性点接地方式

2 1 000 MW水轮发电机中性点选择

2.1 目前存在的问题

1 000 MW水轮发电机额定电压为24 kV，定子线圈绝缘设计整机在1.1UN电压情况下不发生电晕，单根线棒在1.5UN电压情况下不发生电晕，针对1 000 MW水轮发电机高电压，从定子线圈绝缘安全和寿命考虑，过电压必须控制在2.6倍相电压(1.5倍额定线电压)以下。

发电机出口三相对地总电容为13.2 μF，当机端金属性单相接地故障时电容电流，Ic为57.4 A，如果采用接地变高阻接地方式，故障点的电流IK≥81.2 A，远大于ANSI/IEEE C37.101—85 《发电机接地保护导则》规定的25 A。

采用消弧线圈和接地变高阻两种接地方式，在1 000 MW水轮发电机都存在问题，消弧线圈会造成有过电压，接地变低阻接地故障电流远大于规定的电流。

2.2 一种新型混合中性点配置方案的提出

当水轮发电机机端发生金属性单相接地故障时，如果加入电抗使得电容电流得到有效的补偿，同时接入一定的电阻，控制过电压倍数，可以同时解决接地电流过大和过电压过高这两个问题。在中性点接入一定的电抗，从工程上有两种方式可以实现，一种是高电抗值的接地变压器，另外一种是在接地变二次侧接入电抗。由于接地变压器是单相变压器且容量不大，采用高电抗值的变压器不但经济性较差，并会因体积变大导致布置困难，采用接地变二次侧接入电抗是可行的方案，见图2。

图2 混合接地方案

3 混合中性点接地方案的计算

3.1 故障电流计算

采用混合中性点接地方案后，故障电流、补偿电流、中性点电流通过式(4)～(6)计算。

(4)

(5)

(6)

将故障电流控制在25 A，按前述计算，IC为57.4 A，取补偿后的电容电流和电阻电流相等，需要补充的电感电流为IL为39.7 A，此时的中性点电流IN为43.47 A。

3.2 接地变压器的选择

为防止发电机发生单相接地时，中性点接地变压器产生较大的励磁涌流，变压器额定电压的选择不宜低于发电机额定电压，接地变压器的一次电压取发电机的额定电压。变压器投运时间按60 s设计，其允许过载能力不低于6.0倍，则综合考虑补偿电流、电阻电流、过载能力后，经计算接地变压器额定容量选择为120 kV·A。

3.3 电阻和电抗的选择

根据接地变一次侧电阻电流和电感电流，可以计算出接地变二次侧相应的电阻电流和电感电流分别为 794 A和354 A。

考虑变压器为理想变压器，接入接地变的电阻为0.42 Ω，电抗为0.19 Ω，电感量为0.6 mH。

4 结 论

本文对1 000 MW水轮发电机中性点接地采用传统的消弧线圈和接地变高阻两种方案进了分析，两种传统的接地方案对1 000 MW巨型水轮发电机都存在安全隐患。消弧线圈暂时过电压过高存在发电机绝缘损伤的风险，接地变低阻故障电流达过大，存在烧毁铁心的风险。因此本文提出了一种集消弧线圈和接地变高阻优点的混合接地方案，结合1 000 MW水轮发电机具体参数进行了工程计算，计算选择了接地变容量、电压等级及变比和接地接地变二次侧的电阻值及电抗值等参数，从工程实践上是可行的。为大容量水轮发电机中性点接地提供了一个解决方案，供行业内参考。

[1]王维俭, 刘俊宏. 大型发电机中性点接地方式探讨[J]. 河南电力, 1997(2)： 8- 11．

[2]王维俭, 刘俊宏. 大型发电机中性点接地方式的抉择——与《发电机中性点接地方式的研究》一文的商榷[J]. 电网技术, 1995, 19(6)： 54- 57．

[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．

[4]张琦雪, 王祥珩, 王维俭. 大型水轮发电机定子中性点消弧圈接地暂态分析[J]. 电力系统自动化, 2003, 23(27)： 74- 78．

[5]张琦雪, 王祥珩, 王维俭. 大型水轮发电机定子中性点高阻接地暂态分析[J]. 电网技术, 2004, 28(1)： 30- 33, 37．

[6]周平, 焦斌. 大型发电机组中性点接地方式若干问题的探讨[J]. 电力建设, 2009(12)： 58- 60．

[7]罗玉双. 二滩水电站发电机中性点接地方式及定子绕组接地保护配置[J]. 水力发电, 2008, 34(1)： 61- 63．

(责任编辑 高 瑜)

Research on Neutral Grounding Mode of 1 000 MW Hydro-generator

ZOU Zubing1, CHEN Tie2
(1. China Three Gorges Corporation, Chengdu 610041, Sichuan, China; 2. Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation & Control, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

Arc suppression coil grounding or high resistance grounding is generally used in generator’s neutral grounding. The actual operation of large generators indicates that these two neutral grounding modes are not suitable for giant hydro-generators with 24 kV rated voltage and 1 000 MW rated capacity. The risks of these two neutral groundings in the operation of giant hydro-generators are analyzed, and then a neutral hybrid grounding scheme is proposed. The calculation results show that the hybrid grounding method can effectively solve the hidden dangers of traditional ways. This research provides a new way to solve the problem of neutral grounding of Gigabit hydro units．

neutral grounding; hybrid grounding; giant hydro-generator

2017- 02-16

邹祖冰(1978—)，男，湖北公安人，高级工程师，硕士，主要研究方向为水电站电器设计与管理工作；陈铁(通讯作者)．

TM312;TM862.3

A

0559- 9342(2017)08- 0091- 03