鄒祖冰，陳 鐵

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，四川成都610041；2.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002)

1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式探討

鄒祖冰1，陳 鐵2

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，四川成都610041；2.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌443002)

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)常用的接地方式一般采用經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)高阻接地。大型機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，這些接地方式都不適用于額定電壓24 kV和額定容量1 000 MW的巨型水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。在分析了上述兩種接地方式在巨型水輪機(jī)組運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)之后，提出了一種混合接地方案。計(jì)算結(jié)果表明該方式可以有效地解決采用傳統(tǒng)方式存在的隱患，為解決千兆級(jí)機(jī)組的中性點(diǎn)接地問題提供了思路。

中性點(diǎn)接地;混合接地;巨型水輪發(fā)電機(jī)

0 引 言

我國大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)主要采用2種接地方式，一種是消弧線圈接地，另外一種是經(jīng)接地變的高阻接地[1- 2]。消弧線圈接地方式，國內(nèi)已經(jīng)有幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該方式能有效地限制定子單相接地電流，并控制在國標(biāo)允許的范圍內(nèi)。但在實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓等問題，給發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣帶來損害，使接地故障會(huì)轉(zhuǎn)化為相間短路及匝間短路等其他故障。接地變高阻接地方式是國外大型水輪發(fā)電機(jī)普通采用的中性點(diǎn)接地方式，近年來大型水輪發(fā)電機(jī)基本上都采用這種接地方式。該接地方式通過大電阻來抑制暫態(tài)過電壓，但單相接地故障電流會(huì)增大，加劇對(duì)定子鐵芯的危害[3- 4]。

目前正在建設(shè)的水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1 000 MW，電壓等級(jí)達(dá)到24 kV，這種巨型水輪發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)該如何接地？本文結(jié)合機(jī)組的實(shí)際參數(shù)對(duì)消弧線圈和接地變高阻兩種接地方式進(jìn)行了分析計(jì)算，并綜合兩種接地方式的有點(diǎn)，提出了一種適用于1 000 MW、24 kV巨型發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)接地方式。

1 傳統(tǒng)接地方式分析

圖1為傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式，圖1a中方式一為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，方式二為中性點(diǎn)經(jīng)高阻(接地變低阻抗)接地。機(jī)端發(fā)生金屬性單相接地后，故障電流Ik包括兩部分：固有的電容電流Ic和中性點(diǎn)零序電流In，可以分別用式(1)和(2)表述。

(1)

(2)

(3)

式中，UN為發(fā)電機(jī)額定電壓；ω取314 rad/s；C∑為發(fā)電機(jī)定子回路單相對(duì)地總電容。；為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地阻抗，當(dāng)采用消弧線圈接地時(shí)，Zn=RL+jωL；RL為消弧線圈內(nèi)阻(一次值)，一般可以忽略；當(dāng)接地變高阻接地時(shí)Zn=rn·n2，n為接地變變比，rn為二次側(cè)電阻(二次值)。

采用經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，通過選擇線圈的電感L很容易將接地電流限制住。但可能發(fā)生諧振接地，引起諧振過電壓，危及定子繞組健全相使定子單相，使接地故障發(fā)展成為相(匝)間短路。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明單相接地故障間隙性弧光(暫態(tài))過電壓可達(dá)到3.0～3.6倍相電壓[5-7]。

圖1 傳統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式

2 1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)選擇

2.1 目前存在的問題

1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)額定電壓為24 kV，定子線圈絕緣設(shè)計(jì)整機(jī)在1.1UN電壓情況下不發(fā)生電暈，單根線棒在1.5UN電壓情況下不發(fā)生電暈，針對(duì)1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)高電壓，從定子線圈絕緣安全和壽命考慮，過電壓必須控制在2.6倍相電壓(1.5倍額定線電壓)以下。

發(fā)電機(jī)出口三相對(duì)地總電容為13.2 μF，當(dāng)機(jī)端金屬性單相接地故障時(shí)電容電流，Ic為57.4 A，如果采用接地變高阻接地方式，故障點(diǎn)的電流IK≥81.2 A，遠(yuǎn)大于ANSI/IEEE C37.101—85 《發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則》規(guī)定的25 A。

采用消弧線圈和接地變高阻兩種接地方式，在1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)都存在問題，消弧線圈會(huì)造成有過電壓，接地變低阻接地故障電流遠(yuǎn)大于規(guī)定的電流。

2.2 一種新型混合中性點(diǎn)配置方案的提出

當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，如果加入電抗使得電容電流得到有效的補(bǔ)償，同時(shí)接入一定的電阻，控制過電壓倍數(shù)，可以同時(shí)解決接地電流過大和過電壓過高這兩個(gè)問題。在中性點(diǎn)接入一定的電抗，從工程上有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，一種是高電抗值的接地變壓器，另外一種是在接地變二次側(cè)接入電抗。由于接地變壓器是單相變壓器且容量不大，采用高電抗值的變壓器不但經(jīng)濟(jì)性較差，并會(huì)因體積變大導(dǎo)致布置困難，采用接地變二次側(cè)接入電抗是可行的方案，見圖2。

圖2 混合接地方案

3 混合中性點(diǎn)接地方案的計(jì)算

3.1 故障電流計(jì)算

采用混合中性點(diǎn)接地方案后，故障電流、補(bǔ)償電流、中性點(diǎn)電流通過式(4)～(6)計(jì)算。

(4)

(5)

(6)

將故障電流控制在25 A，按前述計(jì)算，IC為57.4 A，取補(bǔ)償后的電容電流和電阻電流相等，需要補(bǔ)充的電感電流為IL為39.7 A，此時(shí)的中性點(diǎn)電流IN為43.47 A。

3.2 接地變壓器的選擇

為防止發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地時(shí)，中性點(diǎn)接地變壓器產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，變壓器額定電壓的選擇不宜低于發(fā)電機(jī)額定電壓，接地變壓器的一次電壓取發(fā)電機(jī)的額定電壓。變壓器投運(yùn)時(shí)間按60 s設(shè)計(jì)，其允許過載能力不低于6.0倍，則綜合考慮補(bǔ)償電流、電阻電流、過載能力后，經(jīng)計(jì)算接地變壓器額定容量選擇為120 kV·A。

3.3 電阻和電抗的選擇

根據(jù)接地變一次側(cè)電阻電流和電感電流，可以計(jì)算出接地變二次側(cè)相應(yīng)的電阻電流和電感電流分別為 794 A和354 A。

考慮變壓器為理想變壓器，接入接地變的電阻為0.42 Ω，電抗為0.19 Ω，電感量為0.6 mH。

4 結(jié) 論

本文對(duì)1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地采用傳統(tǒng)的消弧線圈和接地變高阻兩種方案進(jìn)了分析，兩種傳統(tǒng)的接地方案對(duì)1 000 MW巨型水輪發(fā)電機(jī)都存在安全隱患。消弧線圈暫時(shí)過電壓過高存在發(fā)電機(jī)絕緣損傷的風(fēng)險(xiǎn)，接地變低阻故障電流達(dá)過大，存在燒毀鐵心的風(fēng)險(xiǎn)。因此本文提出了一種集消弧線圈和接地變高阻優(yōu)點(diǎn)的混合接地方案，結(jié)合1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)具體參數(shù)進(jìn)行了工程計(jì)算，計(jì)算選擇了接地變?nèi)萘?、電壓等?jí)及變比和接地接地變二次側(cè)的電阻值及電抗值等參數(shù)，從工程實(shí)踐上是可行的。為大容量水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地提供了一個(gè)解決方案，供行業(yè)內(nèi)參考。

[1]王維儉, 劉俊宏. 大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式探討[J]. 河南電力, 1997(2)： 8- 11．

[2]王維儉, 劉俊宏. 大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的抉擇——與《發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的研究》一文的商榷[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 1995, 19(6)： 54- 57．

[3]王維儉, 桂林, 王祥珩, 等. 大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的反思與憂慮——致各大發(fā)電公司、 發(fā)電廠和設(shè)計(jì)院同行[J]. 電力設(shè)備, 2007, 8(11)： 1- 4．

[4]張琦雪, 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發(fā)電機(jī)定子中性點(diǎn)消弧圈接地暫態(tài)分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003, 23(27)： 74- 78．

[5]張琦雪, 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發(fā)電機(jī)定子中性點(diǎn)高阻接地暫態(tài)分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2004, 28(1)： 30- 33, 37．

[6]周平, 焦斌. 大型發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方式若干問題的探討[J]. 電力建設(shè), 2009(12)： 58- 60．

[7]羅玉雙. 二灘水電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及定子繞組接地保護(hù)配置[J]. 水力發(fā)電, 2008, 34(1)： 61- 63．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research on Neutral Grounding Mode of 1 000 MW Hydro-generator

ZOU Zubing1, CHEN Tie2
(1. China Three Gorges Corporation, Chengdu 610041, Sichuan, China; 2. Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation & Control, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

Arc suppression coil grounding or high resistance grounding is generally used in generator’s neutral grounding. The actual operation of large generators indicates that these two neutral grounding modes are not suitable for giant hydro-generators with 24 kV rated voltage and 1 000 MW rated capacity. The risks of these two neutral groundings in the operation of giant hydro-generators are analyzed, and then a neutral hybrid grounding scheme is proposed. The calculation results show that the hybrid grounding method can effectively solve the hidden dangers of traditional ways. This research provides a new way to solve the problem of neutral grounding of Gigabit hydro units．

neutral grounding; hybrid grounding; giant hydro-generator

2017- 02-16

鄒祖冰(1978—)，男，湖北公安人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗娬倦娖髟O(shè)計(jì)與管理工作；陳鐵(通訊作者)．

TM312;TM862.3

A

0559- 9342(2017)08- 0091- 03