集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置在二滩水电站的应用

李张秀，郭玉恒

（雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617100）

0 前言

目前，我国大容量发电机中性点接地主要采用消弧线圈接地和接地变压器高阻接地两种方式，两种方式相对独立存在。消弧线圈接地方式主要作用原理是用电感电流补偿发电机单相接地时流过故障点的电容电流，从而降低故障点的故障电流幅值。接地变压器高阻接地方式主要作用原理是消除部分残余电荷和电能，限制暂态过电压[1]，增大零序回路阻尼，避免传递过电压和暂态过电压对发电机的危害。采用接地变压器高阻接地方式在国内外被应用广泛[2]。

二滩水电站发电机单机容量为550 MW，额定电压18 kV，定子绕组单相对地电容1.686 μF，中性点接地方式采用接地变压器高阻接地，变压器额定容量75 kVA，变比14.4 kV/120 V，二次负载电阻8.62×10-2Ω。2016年2月，二滩水力发电厂在对2号机组定子改造前期准备工作中，分别在带接地变和不带接地变情况下，模拟发电机出口单相接地故障，对发电机中性点不对称电压、位移电压和单相接地点故障电流幅值进行了测试[3]。测试数据如表1。

从表1可知，采用接地变压器高阻接地方式，流过故障点的故障电流幅值比没有接入接地变压器时略大，且两种运行方式的接地点故障电流幅值均超过《电力工程电气设计手册 电气一次》要求的10～15 A[1]。

表1 测试数据记录表

为确保改造后的设备安全稳定运行，满足规程规范要求，二滩水力发电厂同设计院、厂家充分沟通和研究，决定采用集高电阻和电抗器功能为一体的复合型接地装置。

二滩水力发电厂已于2017年完成二滩水电站2号发电机的改造工作，集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置已投入运行，投运截止到2020年，接地装置运行稳定可靠。本文简要阐述接地装置和参数的选择及应用效果。

1 定子绕组单相接地电容电流的计算

计算发电机单相对地电容电流除考虑定子绕组单相对地电容，同时还应考虑发电机出口封闭母线电容、GCB两侧电容、主变低压侧电容以及厂高变、励磁变高压侧电容，各设备电容如下：

（1）发电机定子绕组单相对地电容为2.09 μF，三相电容之和C1为6.27 μF；

（2）发电机出口封闭母线三相电容值C2为：0.029 μF；

（3）主变压器三相电容C3为：C3A+C3B+C3C=0.027 28+0.026 87+0.026 99=0.081 14 μF；

（4）励磁变压器高压侧电容C4为：

（5）厂高变高压侧电容C5为：

（6）GCB发电机侧电容C6为：

（7）GCB主变侧电容C7为：

（8）三相总电容C为：

计算发电机单相对地电容电流IC为：

IC——发电机三相对地电容电流，A；

C——发电机三相对地电容，μF；

ω——角频率，ω=2πf；

Un——发电机额定电压，kV。

2 接地装置变压器一次电流的计算

根据NB/T 35067-2015《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》“3.4中性点高电阻接地方式”相关内容，发电机中性点接入电阻值的大小，将影响发电机中性点的暂时过电压值。按运行机组耐压值为1.5倍发电机的额定电压，则健全相暂时过电压不宜超过2.6倍相电压。为满足以上要求，则发电机单相接地时电阻电流应不小于电容电流，且根据《电力工程电气设计手册 电气一次》的有关要求，尽可能限制单相接地故障电流不超过10～15 A，因此，拟选取发电机单相接地故障点电流为13.5 A，同时补偿后的电容电流按电阻电流大小选取。则：

电阻电流：

补偿后的电容电流：

补偿电感电流：

因此，接地变一次侧电流为：

3 接地装置变压器容量选择及结构要求

为防止发电机发生单相接地时，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，变压器的一次电压取发电机的额定电压。

变压器容量与其工作时间有关，按以下计算。

式中：

S——变压器容量，kVA；

U1——变压器额定电压，kV；

I1——发电机单相接地时接地变一次侧电流，A；

k1——过负荷系数，过负荷持续时间按照10 min，查曲线（见图1），过负荷系数为2.35。

图1 变压器故障运行时间和过负荷系数的曲线

按容量标准取接地变压器额定容量为180 kVA。则实际过负荷系数为：

因此，选择额定容量为180 kVA的F级绝缘耐热等级的环氧浇注型干式变压器，二次侧额定电压为0.5 kV，短路阻抗为4%。变压器引线和抽头的支撑应使所有的重量不由线圈负担，线圈应支撑牢固。铁心应严格夹紧以避免运输中位移或运行时的振动。从变压器至发电机中性点的连接应为单相母线，接地变柜内应提供与其连接的布置空间。母线的引入口的位置应与整套接地装置的设计相配合，并应提供固定母线的支架。内部的高压连接应按定子绕组的全线电压绝缘。高压绕组为密闭式，与二次绕组之间对地静电屏蔽。

4 接地装置变压器低压侧接入电阻和电抗器的计算

根据上述计算的接地变等效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：

发电机发生单相接地故障时，中性点电压为相电压,此时接地装置变压器二次回路参数:

考虑变压器的有功损耗通常不超过额定容量的2%，即180×0.02=3 600 W

减去变压器有功损耗等效电阻后的阻抗:

R2——变压器低压侧接入电阻值，Ω；

L2——变压器低压侧接入电抗值，Ω；

U2——变压器低压侧电压，0.5 kV；

k——变压器变比，36；

P——变压器总损耗，W。根据同容量配电变压器损耗约为3 600 W。

根据上述计算接地装置变压器二次侧使用电抗器时，电阻器的电阻值为0.89 Ω（冷态），电阻值调整允许范围在-15%～+15%以内，电阻器的抽头数量不少于7个，便于选择合理的电阻值（定子接地保护装置一般要求电阻为0.5～1 Ω）。二次电抗器额定电抗为0.49 Ω(25 ℃)，额定电感量为1.56 mH（电抗值允许范围在-15%～+15%以内），二次电抗器有抽头不少于7个，便于选择合理的电抗值。

接地装置变压器本身的短路阻抗串联在中性点接地回路中，对最终故障电流大小有影响，因此二次补偿电抗器以及电阻器的数值在工厂制造时需根据试验数据进行适当调整以保证故障电流在保证值的±10%的允许范围内。

5 应用效果

接地装置出厂前进行了模拟单相接地试验，在电阻4档（R=0.89 Ω）、电抗器5档（XL=0.49 Ω）时，设计计算故障点电流为13.5 A，实测值为12 A，满足计算要求。在这种参数配置条件下，模拟发电机中性点位移电压为337 V，是额定相电压的3.2 %，也满足发电机组长期运行的要求。

2号机定子改造后实测定子绕组单相对地电容约2.47 μF，比设计电容值大，如电阻器和电抗器仍然选择为出厂档位，则实际单相对地电容电流将变大。为了验证接地装置选型的正确性，经复核计算后将电阻器档位调至5档（R=0.93 Ω），电抗器档位调至4档（XL=0.47 Ω），调整后进行了验证试验。试验数据如表2。

表2 测试数据记录表

从表2数据可知，在接地装置变压器的二次侧加装电抗器补偿后，可有效将定子单相接地故障电流限制在10～15 A以内。虽然此种方式会导致中性点位移电压有所升高，但影响不大，完全满足相关规程规范要求。

6 对定子注入式接地保护的影响

采用新型中性点接地装置后，试验发现模拟定子绕组接地电阻为7 kΩ以上时超出了保护装置测量量程。最终将二次侧CT安装位置进行了重新调整，并将零序电流判据改为电压判据后，注入式定子接地保护运行正常。

7 结论

集高电阻和电抗器功能为一体的中性点接地装置已在二滩水电站成功应用，它不仅能有效限制传递过电压和暂态过电压对发电机的危害，而且还能将单相接地故障电流限制在允许运行范围内，大大降低了发电机发生单相接地故障后事故恶化的可能性，提高了发电机运行可靠性，此方式值得推广。