1 000 MW水輪發電機中性點接地方式探討

鄒祖冰，陳 鐵

(1.中國長江三峽集團公司，四川成都610041；2.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北宜昌443002)

1 000 MW水輪發電機中性點接地方式探討

鄒祖冰1，陳 鐵2

(1.中國長江三峽集團公司，四川成都610041；2.三峽大學梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室，湖北宜昌443002)

發電機中性點常用的接地方式一般采用經消弧線圈接地或經高阻接地。大型機組的運行實踐表明，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的巨型水輪機發電機組。在分析了上述兩種接地方式在巨型水輪機組運行中存在的風險之后，提出了一種混合接地方案。計算結果表明該方式可以有效地解決采用傳統方式存在的隱患，為解決千兆級機組的中性點接地問題提供了思路。

中性點接地;混合接地;巨型水輪發電機

0 引 言

我國大型水輪發電機中性點主要采用2種接地方式，一種是消弧線圈接地，另外一種是經接地變的高阻接地[1- 2]。消弧線圈接地方式，國內已經有幾十年的運行經驗，該方式能有效地限制定子單相接地電流，并控制在國標允許的范圍內。但在實際運行中可能會出現暫態過電壓等問題，給發電機定子繞組的絕緣帶來損害，使接地故障會轉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電機普通采用的中性點接地方式，近年來大型水輪發電機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過電壓，但單相接地故障電流會增大，加劇對定子鐵芯的危害[3- 4]。

目前正在建設的水輪發電機單機容量已經達到1 000 MW，電壓等級達到24 kV，這種巨型水輪發電機的中性點該如何接地？本文結合機組的實際參數對消弧線圈和接地變高阻兩種接地方式進行了分析計算，并綜合兩種接地方式的有點，提出了一種適用于1 000 MW、24 kV巨型發電機組的中性點接地方式。

1 傳統接地方式分析

圖1為傳統的發電機中性點接地方式，圖1a中方式一為中性點經消弧線圈接地，方式二為中性點經高阻(接地變低阻抗)接地。機端發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和中性點零序電流In，可以分別用式(1)和(2)表述。

(1)

(2)

(3)

式中，UN為發電機額定電壓；ω取314 rad/s；C∑為發電機定子回路單相對地總電容。；為發電機中性點接地阻抗，當采用消弧線圈接地時，Zn=RL+jωL；RL為消弧線圈內阻(一次值)，一般可以忽略；當接地變高阻接地時Zn=rn·n2，n為接地變變比，rn為二次側電阻(二次值)。

采用經消弧線圈接地時，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，使接地故障發展成為相(匝)間短路。實際運行結果表明單相接地故障間隙性弧光(暫態)過電壓可達到3.0～3.6倍相電壓[5-7]。

圖1 傳統的中性點接地方式

2 1 000 MW水輪發電機中性點選擇

2.1 目前存在的問題

1 000 MW水輪發電機額定電壓為24 kV，定子線圈絕緣設計整機在1.1UN電壓情況下不發生電暈，單根線棒在1.5UN電壓情況下不發生電暈，針對1 000 MW水輪發電機高電壓，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。

發電機出口三相對地總電容為13.2 μF，當機端金屬性單相接地故障時電容電流，Ic為57.4 A，如果采用接地變高阻接地方式，故障點的電流IK≥81.2 A，遠大于ANSI/IEEE C37.101—85 《發電機接地保護導則》規定的25 A。

采用消弧線圈和接地變高阻兩種接地方式，在1 000 MW水輪發電機都存在問題，消弧線圈會造成有過電壓，接地變低阻接地故障電流遠大于規定的電流。

2.2 一種新型混合中性點配置方案的提出

當水輪發電機機端發生金屬性單相接地故障時，如果加入電抗使得電容電流得到有效的補償，同時接入一定的電阻，控制過電壓倍數，可以同時解決接地電流過大和過電壓過高這兩個問題。在中性點接入一定的電抗，從工程上有兩種方式可以實現，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濟性較差，并會因體積變大導致布置困難，采用接地變二次側接入電抗是可行的方案，見圖2。

圖2 混合接地方案

3 混合中性點接地方案的計算

3.1 故障電流計算

采用混合中性點接地方案后，故障電流、補償電流、中性點電流通過式(4)～(6)計算。

(4)

(5)

(6)

將故障電流控制在25 A，按前述計算，IC為57.4 A，取補償后的電容電流和電阻電流相等，需要補充的電感電流為IL為39.7 A，此時的中性點電流IN為43.47 A。

3.2 接地變壓器的選擇

為防止發電機發生單相接地時，中性點接地變壓器產生較大的勵磁涌流，變壓器額定電壓的選擇不宜低于發電機額定電壓，接地變壓器的一次電壓取發電機的額定電壓。變壓器投運時間按60 s設計，其允許過載能力不低于6.0倍，則綜合考慮補償電流、電阻電流、過載能力后，經計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

根據接地變一次側電阻電流和電感電流，可以計算出接地變二次側相應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 論

本文對1 000 MW水輪發電機中性點接地采用傳統的消弧線圈和接地變高阻兩種方案進了分析，兩種傳統的接地方案對1 000 MW巨型水輪發電機都存在安全隱患。消弧線圈暫時過電壓過高存在發電機絕緣損傷的風險，接地變低阻故障電流達過大，存在燒毀鐵心的風險。因此本文提出了一種集消弧線圈和接地變高阻優點的混合接地方案，結合1 000 MW水輪發電機具體參數進行了工程計算，計算選擇了接地變容量、電壓等級及變比和接地接地變二次側的電阻值及電抗值等參數，從工程實踐上是可行的。為大容量水輪發電機中性點接地提供了一個解決方案，供行業內參考。

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

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

[3]王維儉, 桂林, 王祥珩, 等. 大型發電機中性點接地方式的反思與憂慮——致各大發電公司、 發電廠和設計院同行[J]. 電力設備, 2007, 8(11)： 1- 4．

[4]張琦雪, 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發電機定子中性點消弧圈接地暫態分析[J]. 電力系統自動化, 2003, 23(27)： 74- 78．

[5]張琦雪, 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發電機定子中性點高阻接地暫態分析[J]. 電網技術, 2004, 28(1)： 30- 33, 37．

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

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

(責任編輯 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，高級工程師，碩士，主要研究方向為水電站電器設計與管理工作；陳鐵(通訊作者)．

TM312;TM862.3

A

0559- 9342(2017)08- 0091- 03