小型水电站发电机中性点接地方式的选择

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

发电机不可避免地存在对地电容，当发电机正常运行时该电容性电流通常相对较小，而当发生不对称故障时，该电容性电流就会超过一定数值，产生弧光过电压，对发电机定子线棒绝缘造成一定危害，甚至引发线棒匝间短路、定子铁芯损坏、相间短路等更严重的故障。

1 发电机中性点接地方式

发电机中性点接地方式因机组容量、接线型式等的不同而有所区别，根据机组额定容量、额定电压的不同，机组接地故障电流允许值也不同，在《水电站机电设计手册》电气一次部分中规定，不同电压等级发电机接地电流采用值见表1。因此，发电机中性点可采用不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等三种运行方式。当前，我国小型水电站发电机组的中性点普遍采用不直接接地的运行方式，是否可采用不接地方式需计算单相接地电流才能确定，如果计算单相接地电流值小于表1所列数值，可采用不接地，否则采用消弧线圈接地或经电阻接地。

表1 不同电压等级发电机接地电流采用值

2 单相接地电流计算

中性点不接地系统发生单相接地时，接地点电流为正常运行时每相对地电容电流的3倍，因此，计算出正常运行状态下三相对地电容电流的代数和即为单相接地电流。

一般来说，发电机电压回路三相对地电容电流包括发电机三相对地电容电流、发电机电压母线三相对地电容电流、主变压器低压线圈三相对地电容电流和发电机电压回路其余设备(主要是发电机出口断路器)的电容电流。

2.1 发电机三相对地电容电流ICF

可按下式计算取得：

ICF=ωCFUx×10-6(A)

式中：ω=2πfn；CF为发电机三相对地电容(μF)；UX为发电机额定相电压(V)。

发电机电容有三种计算公式：

(1)哈尔滨电机厂公式：

(2)苏联及美国西屋公司的公式：

(3)美国GE公司公式：

计算电容电流以哈尔滨电机厂公式为宜，可是此公式需要电磁计算的有关数据，而在机组未设计时，此值是不知道的，其使用受到一定的限制。初估电容电流，可利用公式(2)或公式(3)，尤其以公式(3)最为简便。

2.2 发电机电压母线三相对地电容电流

其值为每100m长度三相母线取0.05A～0.1A，其下限值适用10kV及以下电压等级，上限值适用于10kV以上电压等级。

2.3 升压变压器低压线圈的三相对地电容电流

一般可按0.1A～0.2A估算。若能取得制造厂变压器低压线圈的对地电容的实测值，则三相电容电流可按下式计算：

式中：ω=2πfn；CB为变压器低压线圈单相对地电容(μF)；Un2为变压器低压侧额定电压(kV)。

2.4 发电机电压回路其余设备三相对地电容电流

包括发电机出口断路器、厂用变压器、励磁变压器、动力电缆等，其中主要考虑发电机出口断路器设备提供的三相对地电容电流，其他设备产生的三相对地电容电流值很小，可共取0.02A～0.04A。

3 观音岩水电站工程实例计算

3.1 工程概况

观音岩水电站位于四川省凉山州冕宁县境内，电站于1987年破土动工，1989年竣工投产。属2016年-2019年农村水电增效扩容改造实施项目，改造前装机2台，单机容量8750kW，发电机电压侧采用单母线分段接线，发电机中性点采用不接地方式运行。改造后装机2台，单机容量11000kW，额定功率因数0.875，额定电压10.5kV，发电机电压侧采用单母线分段接线。发电机中性点接地方式是否仍采用不接地方式需计算出单相接地电流才能确定。

3.2 三相对地电容电流计算

3.2.1 发电机三相对地电容电流

ICF=0.8(A)

制造厂家提供电容电流为1A，为安全起见，取单台发电机三相对地电容电流为1A。

3.2.2 发电机电压母线三相对地电容电流

本站发电机采用三相共箱母线，其长度约为30m，计算电容电流时，考虑一定裕度，取长度为50m。每100m长度三相母线对地电容电流取0.05A。

故发电机电压母线三相对地电容电流为0.05×0.50=0.025A。

3.2.3 升压变压器低压线圈的三相对地电容电流

主变压器低压线圈三相对地电容电流估值按0.2A考虑。

3.2.4 发电机电压设备三相对地电容电流

发电机电压设备三相对地电容电流估值按0.02A考虑。

3.2.5 发电机出口断路器三相对地电容电流

根据类似工程发电机断路器电容值取200pF，可得：Icb=3ωCbUx×10-3=0.011(A)

综上：

最大运行方式下1台发电机回路总电容电流为：

Ic∑=1+0.025+0.2+0.02+0.011=1.256(A)

最大运行方式下2台发电机并列运行时回路总电容电流为：

ICmax=2Ic∑=2×1.256=2.512(A)

4 结论

(1)观音岩电站与发电机有电气连接的电压回路三相对地电容电流计算值最大为2.512A，此值远小于额定电压为10.5kV发电机建议采用值4A。故本阶段发电机中性点接地方式推荐采用不接地方式。

(2)由于计算值很多是根据经验公式得出的，难免有一定局限性，下阶段在全站设备投运后，在最大运行方式下实测与发电机有电气连接回路的三相对地电容电流，当接地电流大于4A时，若要求发电机带单相接地故障运行，其中性点应装设消弧线圈。