大容量水轮发电机中性点接地装置设计关键技术

崔磊　刘亚青　朱钊　梁波

摘要：大容量水轮发电机中性点接地装置参数配置需要考虑接地故障电流、暂态过电压、中性点位移电压、定子注入保护配置策略等。为此，从接地故障电流、暂态过电压2个方面开展了分析：① 基于有限元分析方法，计算了不同接地故障电流下的铁心烧蚀情况，得出了接地故障电流在不同控制条件下的限值。② 基于电磁暂态分析技术，计算了不同参数配置下的接地暂态过电压，给出了接地装置配置形式选择的建议。通过开展接地故障电流限值和暂态过电压研究，明确了大容量水轮发电机中性点接地装置选型配置的控制边界条件，基于研究结果，推荐采用串联方式配置中性点接地装置。

关键词：大容量水轮发电机; 中性点接地装置; 接地故障电流; 暂态过电压

中图法分类号： TM41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.017

0引 言

对于大容量水轮发电机中性点接地装置参数的配置，主要是从接地故障电流和暂态过电压的限制角度来考虑的[1]。此外，还有中性点位移电压、定子注入保护配置策略等[2-4]，这些因素也会影响大容量水轮发电机中性点接地装置的选择。

乌东德和白鹤滩水电站采用的巨型水轮发电机组，其定子回路单相对地电容电流超过了30 A，部分机组接近58 A。显然，此时再采用传统高阻接地的方式，单相接地故障电流将会过大[5-6]，从而会对发电机的安全造成威胁[7-8]。因此，拟采用在高阻接地方式的基础上增加补偿电抗的方式，补偿一定的电容电流，以达到降低接地故障电流的效果。

单纯从控制接地故障电流的角度来说，上述工程方案是可行的。但是中性点接地装置参数的选择，实际上是基于接地故障电流、暂态过电压、中性点位移电压等多个角度综合考虑而提出的，NB/T 35067-2015、IEEE C37.101、IEEE C62.92中均是综合考虑了各个影响因素之后，提出了简便的确定中性点参数的方法[9-11]。简单仿照上述3个标准中的方法，推算巨型水轮发电机组参数，将会给发电机的安全稳定运行带来巨大的隐患。

本文将从接地故障电流、暂态过电压2个方面，来分析目前大容量水轮发电机中性点接地装置设计的相关情况，并最终推荐采用串联方式配置中性点接地装置。

1接地故障电流的限值

1.1限制接地故障电流原因

发电机中性点接地装置参数配置的一个主要考虑因素，就是限制发电机电压回路及发电机本体接地故障电流。

大容量水轮发电机电压回路接地故障主要发生在离相封闭母线导体和外壳之间，主要原因是水雾、灰尘等的侵入引起离相封闭母线导体对外壳放电。该类型故障一般而言不会对设备造成大的损坏，故障消除后不会影响水电站送出电能，主要损失为电量损失及设备维护费用。

发电机本地接地故障主要发生在定子线棒和铁心之间，如图1所示。由于定子绕组绝缘层老化、振动磨损等原因，绕组线棒的绝缘材料击穿，绕组与定子铁心之间形成接地电弧。叠片铁心中某一点与绕组线棒发生电弧击穿，形成稳定的接地电弧，电弧产生的热量使定子铁心升温发生液化、汽化过程，从而形成对铁心的烧蚀。一般而言，接地故障电流越大，电弧能量越高，烧蚀情况就会越严重。因此，有必要限制接地故障电流幅值。

1.2接地故障电流限值

1.2.1电弧能量等效

整个定子铁心烧蚀过程可被视为：以电弧作为热源，

于定子铁心某点持续施加热源，进而导致该点处的温度升高，同时热量向周围传导。当施加的热源使得定子铁心局部温度超过其对应的熔点时，发生铁心的烧损[12]。

上述过程中，热源为电弧，电弧功率等于弧电压和弧电流的乘积[13-15]，电弧功率的耗散途径包括：

① 烧毁线棒绝缘及线棒本体;

② 烧损定子铁心[16]。

本文中，考虑电弧功率施加于定子铁心与线棒的比例为1∶1，其他能量耗散不予考虑[17-19]。

电弧功率可通过相关参考文献的实测数据拟合得到[20]，表1为文献中的实测数据。

1.2.2导热系数

定子铁心被电弧烧损的过程中，定子铁心上的散热途径为定子铁心内部的固体传热。由于定子铁心是叠片式硅钢片，叠片之间的绝缘漆将会在一定程度上影响散热，因此定子铁心的导热系数是各向异性的。针对图3所示的叠片结构，Y、Z方向没有绝缘漆，其导热系数相同，由硅钢片和绝缘漆的热导并联而成，合成导热系数的计算见式（3）;X轴方向上有绝缘漆，其导热系数为硅钢片和绝缘漆的串联，合成热导系数的计算见式（4）。

1.2.3烧蚀情况分析

使用有限元软件COMSOL对这个过程进行了仿真计算。建立体积为20 mm×20 mm×20 mm的模型作为研究对象，特性材料比热容为460 J/（kg·K），密度为7 800 kg/m3。设定电弧施加于定子铁心表面1 mm×1 mm的面积上，铁心熔点为1 400 ℃（1 673 K），观测不同功率和不同施加时间下，定子铁心内部温度大于1 400 ℃（1 673 K）的区域，即为定子铁心的烧蚀情况。如图5～7所示，当电弧功率为1 500 W（对应短路电流为27.77 A），电弧持续时间为0.03 s时，将会在铁心表面烧出深约0.998 mm的區域;当电弧持续时间为0.05 s时，铁心表面烧出的深度为1.24 mm;当电弧持续时间为0.1 s时，铁心表面烧出的深度为1.46 mm。随着持续时间或电弧功率的增大，烧蚀区域也增大。

基于铁心不发生任何烧蚀的条件，此时，计算截止条件为硅钢叠片达到熔点即止，这是指在不同的电弧功率下，观测计算模型中任何一点达到1 400 ℃所需要的时间（基础温度为80 ℃），即硅钢片未发生击穿。同时，也计算了截止条件为击穿1片硅钢片（1片硅钢片的厚度为0.5 mm）、2片硅钢片与4片硅钢片这3种情况。在这种情况下，结合图5，最终确定的不同接地故障电流持续时间的关系如图8所示。

根据图8，以及短路故障后保护措施动作的时间，即可确定短路电流限值。若保护动作时间为0.10 s，考虑硅钢片不发生击穿，则此时的接地电流的限值推荐为13 A;若考虑击穿1片硅钢片，则此时的接地电流限值推荐为15 A;若考虑击穿2片硅钢片的情况，则此时的接地电流限值推荐为27 A;若考虑击穿4片硅钢片的情况，则此时的接地电流限值可达到30 A。

上述接地故障电流限值是基于本文模型提出来的。其他同类型机组在研究这类问题时，可进一步结合对应机组的铁心材料、铁心结构、线棒空间位置，针对机组自身情况开展专门研究，并提出对应的接地故障电流限值。

2接地暂态过电压限值

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》、IEEE C37.101和IEEE C62.92中均明确了发电机暂态过电压幅值不超过2.6 p.u.。暂态过电压主要与接地装置参数配置以及电弧重燃次数相关。

采用MATLAB软件，针对某电站巨型水轮发电机组在不同接地装置参数配置下的接地暂态过电压进行了仿真计算。计算过程中考虑了多次重燃弧，而且每次重燃弧均保障发生在过电压最大条件下，直至过电压不再增大为止。

考虑了2种巨型水轮发电机组接地装置的参数配置有：一种是采用高阻抗变压器方案，即串联方案（见表2）;另外一种为采用接地变压器二次侧接电抗方案，即并联方案（见表3）。本文针对这2种形式也开展了计算分析。分析等效电路图如图9所示。

结合表2和表3中列出的数值，可总结出如下规律：

（1） 针对某一台机组，采用“电阻+电抗”串联联接时，随着R的增大，当采用过补偿与欠补偿方式时，暂态过电压值越来越小，而在全补偿方式即谐振，暂态过电压随着R的增大而增大，但并不明显;随着脱谐度绝对值的减小，暂态过电压幅值越来越小。

（2） 针对某一台机组，采用“电阻+电抗”并联联接时，随着R的增大，暂态过电压值越来越大;随着脱谐度绝对值的减小，暂态过电压幅值越来越小。

（3） 针对串联和并联2种联接方式，通过优化配置电阻、电抗参数，能控制暂态过电压幅值在2.6 p.u.以内;同时，相同短路电流下，以多次重燃弧后暂态过电压最大值考虑，并联联接方式控制的效果好于串联联接方式。

在计算过程中发现：采用串联方式重燃弧次数多于并联方式，从而导致相同接地故障电流控制指标下串联方式的过电压大于并联方式。但由于多次重燃弧发生，且每次发生均会导致最大过电压发生的工况极为罕见。因此，从实际工程应用角度来说，串联和并联谐振并无明显优劣。

同時，考虑到需与二次保护配置相配合，采用串联的方式变动会更小。因此，在乌东德、白鹤滩等巨型水电站工程中，依然推荐采用串联方式配置中性点接地装置。

3结 论

本文从接地故障电流、暂态过电压2个方面开展了分析，并分别针对目前大容量发电机在中性点接地装置设计中的2个因素展开了研究，得出如下结论。

（1） 以保护动作时间为0.10 s考虑，若以硅钢片不发生击穿为限值，则此时的接地电流的限值推荐为13 A;若考虑击穿1片硅钢片，则此时的接地电流限值推荐为15 A;若考虑击穿2片硅钢片的情况，则此时的接地电流限值推荐为27 A;若考虑击穿4片硅钢片的情况，则此时的接地电流限值可达到30 A。

（2） 采用“电阻+电抗”串联联接时，随着R的增大，当采用过补偿与欠补偿方式时，暂态过电压值越来越小，而在全补偿方式即谐振，暂态过电压随着R的增大而增大，但并不明显;随着脱谐度绝对值的减小，暂态过电压幅值越来越小。

（3） 采用“电阻+电抗”并联联接时，随着R的增大，暂态过电压值越来越大;随着脱谐度绝对值的减小，暂态过电压幅值越来越小。

（4） 针对串联和并联2种联接方式，通过优化配置电阻、电抗参数，能控制暂态过电压幅值在2.6 p.u.以内;同时，相同短路电流下，以多次重燃弧后暂态过电压最大值考虑，并联联接方式控制的效果好于串联联接方式。

（5） 由于重燃弧导致过电压的条件较为苛刻，因此从实际工程应用角度来看，串联和并联谐振并无明显优劣。同时，考虑到需与二次保护配置相配合，采用串联的方式变动会更小，因此，推荐采用串联的方式配置中性点接地装置。

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（编辑：赵秋云）