大型抽水蓄能电站中压厂用电系统接地方式的抉择

刘长武，刘书玉，张 鑫，殷林鹏，桂 林，王祥珩

（1. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024；2. 清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京市 100084）

0 引言

目前我国大型水电站（含抽水蓄能电站）中压厂用电系统普遍采用中性点不接地方式（国外则还包括经电阻接地和经消弧线圈接地等方式）[1-2]，当发生单相接地故障时，厂用电系统一般可以继续运行2h，保证了供电的可靠性，但由于该接地方式下难以实现灵敏且有选择性的接地保护，可能导致单相接地故障扩展为事故。

近年来，大型水电站发生了数起由于单相接地故障未及时处置，进而发展成相间短路，最终导致火灾的事故，造成重大经济损失。因而有必要对中压厂用电系统接地方式进行研究，以期快速且有选择性地切除故障，消除安全隐患。

1 中压厂用电系统单相接地故障模型的建立

大型水电站中压厂用电系统接地方式的抉择是一个复杂的综合性技术问题，涉及水电站的安全运行、过电压与绝缘配合、继电保护、接地系统设计等诸多专业领域[3-5]。有必要应用PSCAD/EMTDC软件建立中压厂用电系统单相接地故障模型，对中压厂用电系统不接地、经电阻接地和经消弧线圈接地方式下单相接地故障电流及过电压倍数进行分析对比，并结合工程运行经验，为大型水电站中压厂用电系统接地方式的抉择奠定坚实的基础[6-7]。

根据某抽水蓄能电站中压厂用电系统接线图可得图1所示10kV系统接线简图，利用PSCAD元件库中已有模型搭建电路并进行仿真分析，主要包括以下几个模块：

图1 某抽蓄电站厂用10kV系统接线简图Fig．1 Schematic diagram of 10kV system wiring for a pumped storage power station

1.1 三相电压源模型

该抽水蓄能电站（4×300MW）厂用中压系统电源有4个，分别是1号发电机、3号发电机、外来电源以及备用柴油发电机组。

由于发电机与系统相连，柴油发电机单独作为电源运行时，只带小部分必要负载，可认为厂用中压系统与无穷大系统相连，故电压源设置为理想电压源，阻抗设置为零，模拟无穷大母线。

1.2 三相变压器模型

变压器主要包括高压厂用变压器和厂内配电变压器。高压厂用变压器为星—三角连接，厂内配电变压器为三角—星连接，10kV侧两端都为三角连接，没有中性点。

基于经典建模方法来模拟三绕组变压器，等同于3个以三相形式连接的单相双绕组变压器元件，可设置每侧绕组的连接形式（星型或三角形）。

1.3 电缆模型

厂用电系统电缆长度普遍较短，线路上的压降可忽略，不用考虑线路的电抗。研究系统中性点接地方式，主要考虑电缆的对地电容。

当发生单相接地故障时，故障相的对地电容被短路，电容中无电流流过，非故障相电容电流随相电压变化。流过故障点的电流为非故障相总的电容电流之和，和电容的具体分布无关，因此可采用集中参数模型来模拟电缆。

1.4 架空线模型

水电站厂用电系统架空线路较少，通常只有从中压厂用母线到上库回路使用架空线路输电，线路较短，可采用集中参数模型，主要考虑线路对地电容。

1.5 曲折变压器模型

10kV厂用中压系统两端都采用三角连接，无中性点，零序电流无法流通。若要实现中性点经电阻接地需人为制造出一个中性点，此时要用到曲折变压器。

曲折变压器的结构原理图如图2（a）所示，其一次侧绕组分成两个半绕组。高压侧外加零序电压时，高压绕组中流过三相零序电流。

由于三相零序电流大小相等，相位相同，在每个半绕组上产生大小相等，方向相反的磁动势，相互抵消。因此，曲折变压器的特点就是零序阻抗小，正序阻抗大。正常运行时，变压器阻抗很大，损耗小；当发生单相接地故障时，零序阻抗小，接地电流可以从变压器顺利流入大地。

由图2（a）可知，N点为中性点，可设置中性点经电阻或消弧线圈接地，二次侧绕组可以不接入电路。在PSCAD中，并没有曲折变压器模型，根据其内部绕组之间的关系，可利用单相双绕组变压器搭建曲折变压器模型，如图2（b）所示。

图2 曲折变压器的结构原理图及模型搭建（a） 曲折变压器结构原理图；（b） PSCAD中曲折变压器模型的搭建Fig．2 Zigzag transformer structure and model building（a）Zigzag transformer structure ；（b） Zigzag transformer in PSCAD

1.6 故障模拟和断路器模型

单相短路故障模型模拟单相接地故障的动作，通过给定名称的输入信号（Fault）进行控制，其控制逻辑为：0=切除故障，1=发生故障。发生短路故障时，若取短路阻值为零，会降低仿真速度，通常取一阻值非常小的电阻来代表短路。同样，非故障时，取一很大阻值代表断路。故障发生和切除时间由故障定时控制逻辑控制，可设置故障发生以及切除时间。

断路器的基本原理与单相短路故障模型相同，利用大电阻和小电阻来代表断开和闭合，并由定时控制逻辑控制开断时间。

综上所述，图1所示该抽水蓄能电站厂用10kV系统仿真接线图如图3所示。根据运行方式的不同，3段母线单独运行或串联运行。由于柴油发电机单独带负载运行时，电厂只投入少量的负载，此时系统电容电流较小，中性点可以不接地。其他3个电源带负载运行时，电容电流较大，因此每个电源都要配置一个曲折变压器。不同接地方式下单相接地故障的仿真是在图1中Ⅰ段母线上进行的，其他电源上曲折变压器不参与仿真过程。

图3 某抽蓄电站厂用10kV系统仿真接线图Fig．3 Simulation wiring diagram for a pumped storage power station

仿真输出波形图为两种，相对地电压波形图和接地故障电流波形图。其中相对地电压为以稳态相电压峰值作为基准值的标幺值形式，接地故障电流为实际值。

2 中压厂用电系统不同接地方式下单相接地故障的仿真分析

2.1 中压厂用电系统不接地方式

正常运行时图1中3段高压母线分别运行，母线进线断路器闭合，母线联络断路器断开，柴油发电机进线断路器断开，全厂共3个电源同时供电。设置故障点为Ⅰ段母线所带负载电缆末端，发生A相金属性接地故障。

考虑到故障时间会对冲击电压产生影响，分别取故障起始时间为0.3s和0.325s，故障持续0.05s，三相对地电压和A相故障电流波形如图4和图5所示。

从仿真结果可以看出，发生单相接地故障时，会有一个很大的冲击电流，然后稳定为正弦基波电流；短路时刻对稳态基波故障电流的有效值基本没有影响。

图1中Ⅰ段母线每相对电容为1.722μF，则故障电流的理论值为：

图4 故障起始时间为0．3s时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．4 Initial time of the fault is 0．3s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

图5 故障起始时间为0．325s时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．5 Initial time of the fault is 0．325s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

与表1中仿真计算结果基本相符。

对于非故障相过电压，在不同时刻发生单相接地故障，稳态过电压倍数保持一致，与理论值基本相符；冲击过电压倍数有所不同，如表1所示，但均小于理论最高3.5倍过电压。

表1 中压厂用电系统不接地方式下故障电流值和过电压倍数的仿真分析Tab.1 Fault current and overvoltage of ungrounded mode

2.2 中压厂用电系统经低电阻接地方式

故障前的工况同前，考虑不同接地电阻阻值对接地故障电流和非故障相电压的不同影响，分别取RN为1、10、57Ω（对应的故障电流见表2），对应的仿真波形如图6～图8所示。

从相电压波形图[图6（a）～图8（a）]可以看出，与中性点不接地系统系相比，非故障相稳态过电压倍数并没有明显降低，但是冲击过电压倍数明显减小，没有出现明显的冲击过电压，且很快达到稳定。这是因为中性点经电阻接地，形成零序通路，电荷可以很快地释放，而不会积累形成过电压。

对于非故障相过电压，B相和C相过电压倍数是不同的。当RN较小时，B相电压降低，C相电压上升；随着RN的增大，B相过电压倍数逐渐增大，C相过电压倍数先增大后减小，仿真过电压倍数变化趋势和理论分析一致（见图9）。非故障相过电压倍数最大为1.86倍，小于中性点不接地系统冲击过电压倍数2.30倍。

图6 接地电阻RN为1Ω时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．6 Grounding resistance RN=1Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

图7 接地电阻RN为10Ω时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．7 Grounding resistance RN=10Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

图8 接地电阻RN为57Ω时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．8 Grounding resistance RN=57Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

对于接地故障电流，因为单相金属性接地中性点会发生偏移，偏移电压有效值等于相电压的有效值，即为5774V，接地故障电流为流经电阻的电流与电容电流的矢量和，相对于电阻电流，电容电流很小，可忽略，因此理论故障电流可直接计算得到，为相电压与接地电阻的比值，如表2所示。

表2 经不同电阻值接地方式下故障电流值和过电压倍数的仿真分析Tab.2 Fault current and overvoltage of resistance grounding mode

图9 低电阻接地方式下A相接地故障时非故障相电压变化矢量图Fig．9 Non fault phase voltage variation of low resistance grounding mode of phase A to ground fault

可以看出，仿真所得故障电流总是小于理论故障电流，特别是接地电阻越小时，与理论值相差越大。这是因为，实际电路中，曲折变压器的零序阻抗不可能为零，线路的阻抗很小但是依旧存在，相当于存在一个数值很小的零序阻抗与接地电阻串联，因此流经电阻的电流会减小。特别是接地电阻阻值越小时，线路电抗和曲折变压器的零序阻抗不能忽略，实际电流会比理论电流小很多。总体来说，仿真结果与理论分析基本保持一致，说明仿真模型能较准确地反映实际电路。

2.3 中压厂用电系统经消弧线圈接地方式

故障前的工况同前，已知图1中Ⅰ段母线每相对地电容为1.722μF，若要使消弧线圈电感电流完全补偿故障电容电流，则消弧线圈电感值L=1.96H；考虑到消弧线圈存在损耗电阻，取品质因数Q=ωL/rL≈20，则损耗电阻阻值可取rL=30Ω。

为比较补偿程度不同对系统故障电流以及非故障相电压的影响，分别取消弧线圈电感值为0.9L、L、1.1L进行仿真。

表3 经消弧线圈接地不同补偿程度下故障电流值和过电压倍数的仿真分析Tab.3 Fault current and overvoltage of arc suppression coil grounding mode

由上述仿真结果可以看出，中性点经消弧线圈接地方式显著地减小了故障电流（由未补偿时的9.26A下降到1A左右），防止电弧的重燃。由图10～图12故障电流波形图可以看出，故障电流含有一个衰减的直流分量，这是由RLC电路的初始状态引入的，随着直流分量衰减为零，故障电流只含基波分量。

非故障相过电压倍数和消弧线圈补偿程度无关，稳定在1.70倍（变为线电压），冲击过电压倍数最高为2.37倍。由图10～图12相电压波形图可以看出，故障结束时，由于消弧线圈的缓冲作用，故障相电压逐渐上升，延缓了故障相电压恢复速度，有利于防止电弧的重燃。

对于中性点经消弧线圈接地系统，故障切除后，由于RLC电路中储存一定的能量，中性点的电压会出现振荡衰减现象，故障相对地电压为稳态相电压与中性点振荡电压之差，因此，故障相电压的恢复也是一个振荡过程。当系统处于全补偿（见图11）状态时，故障相电压逐渐恢复到稳态相电压，恢复电压的最大值不超过相电压的幅值，且恢复到稳态的时间较长；当系统处于欠补偿（见图10）或过补偿（见图12）状态时，故障相电压恢复过程会出现“拍频”现象，此时恢复电压的最大值有可能超过相电压幅值，且恢复到稳态的时间较短。

图10 消弧线圈电感值为0．9L时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．10 Arc suppression coil is 0．9L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

图11 消弧线圈电感值为L时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．11 Arc suppression coil is L（a） Three-phase voltage to ground ；（b） Fault current

图12 消弧线圈电感值为1．1L时的仿真波形（a）三相对地电压；（b）故障电流Fig．12 Arc suppression coil is 1．1L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

当中性点不接地或经电阻接地时，故障切除后，故障相对地电压的恢复过程是有所不同的，前者类似于电容充放电的过程（过渡过程比较明显，见图4和图5），后者则是接地电阻越小，电容电荷在接地电阻上释放越快，没有明显的过渡过程，见图6～图8。

3 结束语

大型水电站特别是抽水蓄能电站厂用电系统有着自身的特点，其高压厂用变压器数量及容量均有备用，主流设计是单台高压厂用变压器可以带全厂负荷运行，重要负荷的配电变压器一般均有备用或者采用双电源供电，当发生故障时，可迅速切除故障，利用备自投实现电源的自动切换，因而厂用电系统没有带接地故障运行的必要性。

且电缆为非自恢复绝缘，发生单相接地故障一般来说均为永久性故障，若继续运行，故障处绝缘会被迅速烧坏，以致发展成为相间故障，必须迅速切断电源，避免事故扩大，即便采用消弧线圈，也只是一定程度上降低了接地故障电流，很难及时排除故障，在以电缆为主的厂用电系统中不能有效发挥作用[6]。

而低电阻接地可以使接地故障的检测手段大为简单、可靠，准确快速切除故障，同时也可降低过电压水平（如前所述），减小单相接地发展成相间短路的概率，防止事故扩大[8]。

综上所述，大型水电站（含抽水蓄能电站）中压厂用电系统，当单相接地故障电容电流不大于7A时，可采用不接地方式，保护动作于信号（需要现场人工即时干预）；当单相接地故障电容电流大于7A时，宜采用中性点低电阻接地方式，保护动作于跳闸。

鉴于大型水电站（含抽水蓄能电站）的运行逐步向无人值班过渡，遇有故障应能自动处理，不需要现场人工即时干预，本着“故障导向安全”的设计原则[9]，进一步建议中压厂用电系统中性点采用经低电阻接地方式，兼顾保护的选择性和灵敏度的要求，以确保大型水电站（含抽水蓄能电站）的安全稳定运行。

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