1 000 MW量级水轮发电机中性点电压漂移影响因素及接地装置参数优化分析

周 龙， 熊 斌， 丁树业， 骆 林， 汪泰安

(1.南京师范大学电气与自动化工程学院， 江苏 南京 210046； 2.中国科学院电工研究所， 北京 100190； 3.中国科学院大学， 北京 100049； 4.东方电气集团东方电机有限公司， 四川 德阳 618000)

1 引言

水电是一种可再生能源，利用好我国丰富的水力资源对助推国家“双碳战略”的实施以及电网安全具有重要价值。然而，由于近年来光伏发电在电网中的渗透率不断提高[1]，且大规模风电并网对电网暂态的影响越来越大[2]，导致水电建设中水轮发电机组的运行环境也将变得越来越复杂[3]，其运行状况对整个电力系统安全稳定性的影响也越来越大[4]，因此对水电建设中大型水轮机组的安全稳定运行要求也越来越高。

为了充分发挥水力资源的规模效益，我国水电建设中发电机单机容量不断提高，单机电压和定子绕组对地电容也随之增大，因此发电机发生单相接地故障时流经定子绕组对地电容的电流值不断增大，进而导致流经故障点处电流值大小超过限定值。为避免非对称故障对发电机的运行安全造成严重影响，需要严格控制故障点处接地电流，因此大型水轮发电机加持中性点接地装置对机组安全运行十分必要。

我国现有大型水轮发电机，其中性点接地往往采用消弧线圈接地方式或高电阻接地方式[5]，经消弧线圈接地可以有效减小接地故障电流，经高阻接地可以抑制暂态过电压[6]。但是大型机组的运行实践表明，这些接地方式对于1 000 MW量级大型水轮发电机都不适用[7]。因此针对1 000 MW量级大型水轮发电机，采用一种组合式接地方式(即在中性点接地变压器低压侧负载电阻两端并联一个电感)，既可以利用电感补偿电容电流，同时可以抑制暂态过电压。但是研究表明，随着我国水电建设中发电机单机容量的不断增大，三相定子绕组对地电容不对称度也增大，导致采用中性点经组合式接地方式后，中性点电压漂移明显增加[8]。

由于水轮发电机独特的运行方式，发电机中性点位移电压的升高，会加大发电机三相电压的不对称性[9]，进而导致发电机输出端电压幅值大于电网电压，对发电机并网过程造成严重不良影响。而且中性点电压漂移的显著增大，容易引发定子绕组单相接地故障。当发生定子绕组单相接地故障时，中性点还将会产生较高的暂态位移电压，中性点暂态位移电压过高将增大发电机附加损耗、干扰电网通信系统等，严重影响发电机以及配电网的正常运行[10]。

实际运行中，中性点位移电压普遍存在，特别是在中性点接地装置中含有消弧线圈补偿时[11]。对于水轮发电机中性点经消弧线圈接地，中性点位移电压与发电机的不对称度、消弧线圈脱谐度、电网的阻尼率以及残流有关[12]；对于水轮发电机中性点接地装置加电抗接地，中性点接地方式采用高阻加电抗补偿方式时，有可能使中性点电压漂移变大[13,14]；且中性点接入接地装置后，中性点位移电压的放大倍数等于电容电流与期望接地点故障电流的比值[15]。

合理地分析中性点接地的电压漂移与电容分配不均、接地装置参数之间的关系，既可以合理设置电机内电容参数，使得电容分配维持在一个合理的范围之内；又可以在故障电流以及中性点漂移电压的放大方面做一个适当的选择，使得故障电流不会过大伤害铁心等部件，同时限制中性点漂移电压放大倍数在一个较小的范围内，不会过度影响设备的正常运行。

因此，本文基于中性点经电阻并联电抗组合式接地方式，首先分析了1 000 MW量级大型水轮发电机中性点电压漂移影响因素，然后以降低中性点电压漂移为准则，提出一种中性点组合式接地装置参数选择方式，最后通过准分布电容参数处理方法搭建水轮发电机定子绕组单相接地故障模型，分析了此参数接地方式下的单相接地故障电流以及暂态过电压，验证了该参数选取方法的可行性。

2 中性点接地方式发展

在水电建设中，发电机中性点接地方式的选择是涉及电力系统安全运行的一个关键因素。发电机中性点的接地方式，按照其发展的历程大致可分为：直接接地、经低阻抗接地、不接地、经高电阻接地、经消弧线圈接地五种方式。对于前两种接地方式，若发电机定子绕组发生单相接地故障，流经故障点电流值很大，难免会造成发电机的内部损失，因此已被市场淘汰。对于第三种接地方式，若发电机发生定子绕组单相接地故障，会引起较高过电压，威胁非故障绕组的绝缘安全。综上，如今的水电建设中大型水轮机组中性点多采用上述后两种接地方式[16]。

水轮发电机定子绕组对地电容大，单相接地时电容电流较大，水轮发电机发生单相接地故障时，故障电流等于流经定子绕组对地电容电流和流经中性点接地装置的电流相叠加。

采用中性点经消弧线圈接地方式可以有效地补偿对地电容电流，因此可以将故障点处流经电流严格控制在合理范围内，减轻故障电流对发电机内部的损伤。但是实际运行结果表明，水轮发电机采用该接地方式发生单相接地故障时可引起3.8倍暂态过电压，危及定子绕组健全相，甚至导致单相接地故障发展成更为严重的相间故障[17]。

中性点经高阻接地方式可以有效降低暂态过电压，但在水电建设中，发电机单机容量越来越大，进而导致流经定子绕组电容电流也越来越大，而中性点经高阻接地非但不能补偿电容电流，还会导致单相接地故障电流增大，严重时会烧损铁心[18]。

针对1 000 MW量级大型水轮发电机，按照相关标准既要求暂态过电压控制在2.6倍相电压以下，同时要求接地故障电流不大于25 A，传统的接地方式都不适用。因此，白鹤滩水电站应用了组合式接地方式，即在接地配电变压器低压侧负载电阻上并联一个小电感，这样既可以补偿一部分故障接地电流，又可以保留高阻接地方式抑制暂态过电压的优点。

中性点组合式接地等效电路如图1所示，图1中，R为中性点接地等效电阻值，L为中性点接地等效电感值。

图1 中性点组合式接地方式等效电路Fig.1 Equivalent circuit of neutral point combined grounding mode

3 中性点电压漂移影响因素分析

大型水轮发电机定子绕组线圈数量大，且定子绕组三相回路电容并不完全相等，这使得发电机在中性点不接地情况下就会出现零序性质的位移电压，当发电机中性点接入接地装置后，在此电压的作用下，中性点电压会产生严重的漂移现象，此时若定子绕组发生单相接地故障，中性点电压值将超过相电压，这种现象不仅会导致基于基波零序电压为判据的定子单相接地保护动作值不得不提高、对发电机和接入电网系统的安全稳定运行造成不利影响，而且情况严重时还会危害绝缘安全。

中性点接地方式的选取受机组参数的直接影响，本文调查统计了部分大型水轮发电机的参数见表1。

表1 部分大型水轮发电机参数Tab.1 Parameters of some huge hydraulic-generators

表1中，P为水轮发电机额定有功功率；U为发电机额定电压；cosφ为额定功率因数；f为额定频率；CΣ为发电机三相对地总电容，不仅包括发电机定子绕组三相对地电容值，还包括发电机电压设备及主变压器低压侧对地电容值；RS为定子绕组每相电阻测量值；LS为定子绕组每相漏电感。

本文以白鹤滩水电站1 000 MW量级的大型水轮发电机为例对中性点电压漂移影响因素进行分析，接地装置等效为电阻与电抗并联模型(串联参数可通过计算等效转化)。

3.1 不对称系数影响分析

3.1.1 理论分析

图2 中性点不接地时水轮发电机等效电路Fig.2 Equivalent circuit of hydraulic-generators withnon-grounded neutral point

(1)

式中，ω为额定角频率，则有：

(2)

由式(2)可知，若发电机三相定子绕组对地电容相等，则中性点位移电压为0；而实际发电机中三相对地电容并不平衡，其中性点位移电压与三相对地不平衡程度有关。

3.1.2 仿真分析

为了避免接地参数改动的影响，中性点接地参数选取如下：

(1)当发电机中性点接地电阻值等于或近似等于从发电机星形中性点看入的对地容抗值时，能较好地限制定子绕组弧光暂态过电压和故障接地电流[19]。因此，选取接地电阻值RN等于XC∑，XC∑为发电机三相定子绕组对地容抗值。

(2)为了限制接地故障电流，接地电阻所并联的电抗LN采用与对地电容完全补偿的方式，取值大小等于XC∑。

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为了标定三相对地电容的不平衡度，在此记电容不对称系数为α，令Ca=Cc≠Cb，则α取值为：

(3)

通过改变电容不对称系数，即Ca、Cb、Cc的值进行仿真运算，得到位移电压随电容不对称系数变化曲线如图3所示。

图3 中性点位移电压随不对称系数变化曲线Fig.3 Variation curve of neutral point displacement voltage with asymmetry coefficient

由图3知，中性点位移电压受定子绕组对地电容不对称系数影响。当电容不对称系数取值为0时，位移电压仅有1.575 2 μV，几乎可认为不存在；当对地电容出现微小的不平衡时，位移电压突然出现，且随着不对称系数的提高，中性点的位移电压呈现线性增长的趋势；当不对称系数达到20%时，位移电压可达1 324.6 V。因此，考虑到保护安全，以及留有5%的误差范围，应保证不对称系数不超过20%。

3.2 接地装置参数影响分析

3.2.1 理论分析

中性点接入接地装置后，水轮发电机等效电路如图4所示。

图4 中性点接入接地装置后水轮发电机等效电路Fig.4 Equivalent circuit of hydraulic-generators with neutral point connected to grounding device

(4)

解得：

(5)

式中，C∑为三相对地总电容，联立式(2)和式(5)可得：

(6)

由式(6)可知，在中性点接入接地装置后，位移电压不仅和三相对地电容不平衡度有关，还和中性点接地装置参数有关。

3.2.2 仿真分析

为了便于观察中性点接地装置参数的影响，在本节研究水轮发电机中性点接地装置参数对中性点电压漂移的影响时，取电容不对称系数α=0.05。同时为了获得接地装置参数对中性点电压漂移影响较为全面的数据，中性点接地装置参数参照3.1节中参数选取，并以此为基准值，选取不同的电阻、电抗值进行分析。

通过改变接地电阻、电抗值，得到中性点位移电压随接地参数改变而变化的曲线如图5所示。

图5能较好地反映出接地参数变化对位移电压影响的整体趋势，为了进一步获得接地电阻和电抗对位移电压更直接的影响，采取定量分析方法，分别以“接地电阻/定子绕组对地容抗”、“接地电阻所并联电抗/定子绕组对地容抗”为横坐标，得出不同接地电阻或不同接地电阻所并联电抗的变化对位移电压的影响如图6、图7所示。由图5、图6、图7可以得出：

图6 中性点位移电压随接地电阻变化曲线图Fig.6 Variation curve of neutral point displacement voltage with grounding resistance

图7 中性点位移电压随接地电阻所并联电抗变化曲线图Fig.7 Variation curve of neutral point displacement voltagewith parallel reactance of grounding resistance

(1)对于不同电抗值下的中性点位移电压，当电抗值固定时，位移电压呈现出较为一致的变化趋势，即位移电压随接地装置电阻值增加而增加，其变化速率随着电抗值的增大而增大；

(2)对于不同电阻值下的中性点位移电压，当电阻值固定时，位移电压随接地装置电抗值增加呈现先增后减的趋势，其变化速率随着电阻值的增大而增大，且位移电压幅值在接地电阻所并联电抗值与三相定子绕组对地容抗值相等时取得极大值。

4 接地装置参数选取及可行性验证

由图6、图7可以看出，当电感取值大于0.4LN时，中性点位移电压随接地电阻的增大而大幅度增加；当接地电阻取值大于0.8RN时，中性点位移电压变化速率也较大。根据上述仿真得到的影响规律，可适当取小电阻、电抗值，但同时考虑到接地电流等其他因素的影响，不宜取值过小，因此可以将接地电阻取值为发电机三相定子绕组对地容抗值的7/10，接地电阻所并联的电抗值取值为发电机三相定子绕组对地容抗值的3/10。

考虑到接地装置参数的选取要兼顾中性点电压漂移、接地故障电流、暂态过电压等多个因素的影响，因此采用准分布电容处理方法，搭建水轮发电机单相接地故障模型如图8所示，对上述接地参数进行分析验证。由于不同故障点对地电位不同，接地点越靠近机端，其故障程度越严重[20]，因此假设故障点发生在机端出线处，得到发生单相接地故障时故障接地电流和三相暂态电压随时间变化曲线分别如图9、图10所示。

图8 单相接地故障准分布电容模型Fig.8 Quasi distributed capacitance model of single-phase grounding fault

图10 单相接地故障下三相暂态电压Fig.10 Three phase transient voltage under single-phase grounding fault

由图9可以看出，中性点经接地电阻并联电抗组合式接地方式新型参数选取可以很好地抑制故障电流，使其控制在故障电流标准范围25 A之内，根据IEEE Std C37.101—2006[21]，可以满足相关标准要求。

由图10可以看出，中性点经接地电阻并联电抗组合式接地方式的新型参数选取同时可以很好地抑制健全相暂态过电压，使其控制暂态过电压不超过2.6 pu (标幺值的基值取额定电压的幅值)，因此新型参数选取也可以满足暂态过电压的要求。

5 结论

本文研究了1 000 MW量级大型水轮发电机中性点经电阻并联电抗组合式接地方式下的电压漂移影响因素，提出一种组合式接地装置参数优化方法，并通过准分布电容方法搭建了水轮发电机单相接地故障模型，验证了其可行性。从研究结果可以看出：

(1)中性点电压漂移受三相定子绕组对地电容的不对称性和中性点接地装置参数的影响，其位移电压与对地电容不对称系数呈线性正相关，即随着不对称系数的增大而增大。因此，对于实际系统，设计上应尽可能降低设备电容不对称。

(2)大型水轮发电机中性点经接地电阻并联电抗组合式接地方式参数选择时，将接地电阻取值为发电机三相定子绕组对地容抗值的7/10，接地电阻所并联的电抗值取值为发电机三相定子绕组对地容抗值的3/10，可以使得中性点漂移有效降低，并同时满足接地故障电流以及暂态过电压两种因素的要求，为大型水轮发电机机组装配中的中性点接地装置参数选择提供参考。