大型抽水蓄能電站中壓廠用電系統接地方式的抉擇

劉長武，劉書玉，張 鑫，殷林鵬，桂 林，王祥珩

（1. 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024；2. 清華大學電機系電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京市 100084）

0 引言

目前我國大型水電站（含抽水蓄能電站）中壓廠用電系統普遍采用中性點不接地方式（國外則還包括經電阻接地和經消弧線圈接地等方式）[1-2]，當發生單相接地故障時，廠用電系統一般可以繼續運行2h，保證了供電的可靠性，但由于該接地方式下難以實現靈敏且有選擇性的接地保護，可能導致單相接地故障擴展為事故。

近年來，大型水電站發生了數起由于單相接地故障未及時處置，進而發展成相間短路，最終導致火災的事故，造成重大經濟損失。因而有必要對中壓廠用電系統接地方式進行研究，以期快速且有選擇性地切除故障，消除安全隱患。

1 中壓廠用電系統單相接地故障模型的建立

大型水電站中壓廠用電系統接地方式的抉擇是一個復雜的綜合性技術問題，涉及水電站的安全運行、過電壓與絕緣配合、繼電保護、接地系統設計等諸多專業領域[3-5]。有必要應用PSCAD/EMTDC軟件建立中壓廠用電系統單相接地故障模型，對中壓廠用電系統不接地、經電阻接地和經消弧線圈接地方式下單相接地故障電流及過電壓倍數進行分析對比，并結合工程運行經驗，為大型水電站中壓廠用電系統接地方式的抉擇奠定堅實的基礎[6-7]。

根據某抽水蓄能電站中壓廠用電系統接線圖可得圖1所示10kV系統接線簡圖，利用PSCAD元件庫中已有模型搭建電路并進行仿真分析，主要包括以下幾個模塊：

圖1 某抽蓄電站廠用10kV系統接線簡圖Fig．1 Schematic diagram of 10kV system wiring for a pumped storage power station

1.1 三相電壓源模型

該抽水蓄能電站（4×300MW）廠用中壓系統電源有4個，分別是1號發電機、3號發電機、外來電源以及備用柴油發電機組。

由于發電機與系統相連，柴油發電機單獨作為電源運行時，只帶小部分必要負載，可認為廠用中壓系統與無窮大系統相連，故電壓源設置為理想電壓源，阻抗設置為零，模擬無窮大母線。

1.2 三相變壓器模型

變壓器主要包括高壓廠用變壓器和廠內配電變壓器。高壓廠用變壓器為星—三角連接，廠內配電變壓器為三角—星連接，10kV側兩端都為三角連接，沒有中性點。

基于經典建模方法來模擬三繞組變壓器，等同于3個以三相形式連接的單相雙繞組變壓器元件，可設置每側繞組的連接形式（星型或三角形）。

1.3 電纜模型

廠用電系統電纜長度普遍較短，線路上的壓降可忽略，不用考慮線路的電抗。研究系統中性點接地方式，主要考慮電纜的對地電容。

當發生單相接地故障時，故障相的對地電容被短路，電容中無電流流過，非故障相電容電流隨相電壓變化。流過故障點的電流為非故障相總的電容電流之和，和電容的具體分布無關，因此可采用集中參數模型來模擬電纜。

1.4 架空線模型

水電站廠用電系統架空線路較少，通常只有從中壓廠用母線到上庫回路使用架空線路輸電，線路較短，可采用集中參數模型，主要考慮線路對地電容。

1.5 曲折變壓器模型

10kV廠用中壓系統兩端都采用三角連接，無中性點，零序電流無法流通。若要實現中性點經電阻接地需人為制造出一個中性點，此時要用到曲折變壓器。

曲折變壓器的結構原理圖如圖2（a）所示，其一次側繞組分成兩個半繞組。高壓側外加零序電壓時，高壓繞組中流過三相零序電流。

由于三相零序電流大小相等，相位相同，在每個半繞組上產生大小相等，方向相反的磁動勢，相互抵消。因此，曲折變壓器的特點就是零序阻抗小，正序阻抗大。正常運行時，變壓器阻抗很大，損耗小；當發生單相接地故障時，零序阻抗小，接地電流可以從變壓器順利流入大地。

由圖2（a）可知，N點為中性點，可設置中性點經電阻或消弧線圈接地，二次側繞組可以不接入電路。在PSCAD中，并沒有曲折變壓器模型，根據其內部繞組之間的關系，可利用單相雙繞組變壓器搭建曲折變壓器模型，如圖2（b）所示。

圖2 曲折變壓器的結構原理圖及模型搭建（a） 曲折變壓器結構原理圖；（b） PSCAD中曲折變壓器模型的搭建Fig．2 Zigzag transformer structure and model building（a）Zigzag transformer structure ；（b） Zigzag transformer in PSCAD

1.6 故障模擬和斷路器模型

單相短路故障模型模擬單相接地故障的動作，通過給定名稱的輸入信號（Fault）進行控制，其控制邏輯為：0=切除故障，1=發生故障。發生短路故障時，若取短路阻值為零，會降低仿真速度，通常取一阻值非常小的電阻來代表短路。同樣，非故障時，取一很大阻值代表斷路。故障發生和切除時間由故障定時控制邏輯控制，可設置故障發生以及切除時間。

斷路器的基本原理與單相短路故障模型相同，利用大電阻和小電阻來代表斷開和閉合，并由定時控制邏輯控制開斷時間。

綜上所述，圖1所示該抽水蓄能電站廠用10kV系統仿真接線圖如圖3所示。根據運行方式的不同，3段母線單獨運行或串聯運行。由于柴油發電機單獨帶負載運行時，電廠只投入少量的負載，此時系統電容電流較小，中性點可以不接地。其他3個電源帶負載運行時，電容電流較大，因此每個電源都要配置一個曲折變壓器。不同接地方式下單相接地故障的仿真是在圖1中Ⅰ段母線上進行的，其他電源上曲折變壓器不參與仿真過程。

圖3 某抽蓄電站廠用10kV系統仿真接線圖Fig．3 Simulation wiring diagram for a pumped storage power station

仿真輸出波形圖為兩種，相對地電壓波形圖和接地故障電流波形圖。其中相對地電壓為以穩態相電壓峰值作為基準值的標幺值形式，接地故障電流為實際值。

2 中壓廠用電系統不同接地方式下單相接地故障的仿真分析

2.1 中壓廠用電系統不接地方式

正常運行時圖1中3段高壓母線分別運行，母線進線斷路器閉合，母線聯絡斷路器斷開，柴油發電機進線斷路器斷開，全廠共3個電源同時供電。設置故障點為Ⅰ段母線所帶負載電纜末端，發生A相金屬性接地故障。

考慮到故障時間會對沖擊電壓產生影響，分別取故障起始時間為0.3s和0.325s，故障持續0.05s，三相對地電壓和A相故障電流波形如圖4和圖5所示。

從仿真結果可以看出，發生單相接地故障時，會有一個很大的沖擊電流，然后穩定為正弦基波電流；短路時刻對穩態基波故障電流的有效值基本沒有影響。

圖1中Ⅰ段母線每相對電容為1.722μF，則故障電流的理論值為：

圖4 故障起始時間為0．3s時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．4 Initial time of the fault is 0．3s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖5 故障起始時間為0．325s時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．5 Initial time of the fault is 0．325s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

與表1中仿真計算結果基本相符。

對于非故障相過電壓，在不同時刻發生單相接地故障，穩態過電壓倍數保持一致，與理論值基本相符；沖擊過電壓倍數有所不同，如表1所示，但均小于理論最高3.5倍過電壓。

表1 中壓廠用電系統不接地方式下故障電流值和過電壓倍數的仿真分析Tab.1 Fault current and overvoltage of ungrounded mode

2.2 中壓廠用電系統經低電阻接地方式

故障前的工況同前，考慮不同接地電阻阻值對接地故障電流和非故障相電壓的不同影響，分別取RN為1、10、57Ω（對應的故障電流見表2），對應的仿真波形如圖6～圖8所示。

從相電壓波形圖[圖6（a）～圖8（a）]可以看出，與中性點不接地系統系相比，非故障相穩態過電壓倍數并沒有明顯降低，但是沖擊過電壓倍數明顯減小，沒有出現明顯的沖擊過電壓，且很快達到穩定。這是因為中性點經電阻接地，形成零序通路，電荷可以很快地釋放，而不會積累形成過電壓。

對于非故障相過電壓，B相和C相過電壓倍數是不同的。當RN較小時，B相電壓降低，C相電壓上升；隨著RN的增大，B相過電壓倍數逐漸增大，C相過電壓倍數先增大后減小，仿真過電壓倍數變化趨勢和理論分析一致（見圖9）。非故障相過電壓倍數最大為1.86倍，小于中性點不接地系統沖擊過電壓倍數2.30倍。

圖6 接地電阻RN為1Ω時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．6 Grounding resistance RN=1Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖7 接地電阻RN為10Ω時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．7 Grounding resistance RN=10Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖8 接地電阻RN為57Ω時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．8 Grounding resistance RN=57Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

對于接地故障電流，因為單相金屬性接地中性點會發生偏移，偏移電壓有效值等于相電壓的有效值，即為5774V，接地故障電流為流經電阻的電流與電容電流的矢量和，相對于電阻電流，電容電流很小，可忽略，因此理論故障電流可直接計算得到，為相電壓與接地電阻的比值，如表2所示。

表2 經不同電阻值接地方式下故障電流值和過電壓倍數的仿真分析Tab.2 Fault current and overvoltage of resistance grounding mode

圖9 低電阻接地方式下A相接地故障時非故障相電壓變化矢量圖Fig．9 Non fault phase voltage variation of low resistance grounding mode of phase A to ground fault

可以看出，仿真所得故障電流總是小于理論故障電流，特別是接地電阻越小時，與理論值相差越大。這是因為，實際電路中，曲折變壓器的零序阻抗不可能為零，線路的阻抗很小但是依舊存在，相當于存在一個數值很小的零序阻抗與接地電阻串聯，因此流經電阻的電流會減小。特別是接地電阻阻值越小時，線路電抗和曲折變壓器的零序阻抗不能忽略，實際電流會比理論電流小很多。總體來說，仿真結果與理論分析基本保持一致，說明仿真模型能較準確地反映實際電路。

2.3 中壓廠用電系統經消弧線圈接地方式

故障前的工況同前，已知圖1中Ⅰ段母線每相對地電容為1.722μF，若要使消弧線圈電感電流完全補償故障電容電流，則消弧線圈電感值L=1.96H；考慮到消弧線圈存在損耗電阻，取品質因數Q=ωL/rL≈20，則損耗電阻阻值可取rL=30Ω。

為比較補償程度不同對系統故障電流以及非故障相電壓的影響，分別取消弧線圈電感值為0.9L、L、1.1L進行仿真。

表3 經消弧線圈接地不同補償程度下故障電流值和過電壓倍數的仿真分析Tab.3 Fault current and overvoltage of arc suppression coil grounding mode

由上述仿真結果可以看出，中性點經消弧線圈接地方式顯著地減小了故障電流（由未補償時的9.26A下降到1A左右），防止電弧的重燃。由圖10～圖12故障電流波形圖可以看出，故障電流含有一個衰減的直流分量，這是由RLC電路的初始狀態引入的，隨著直流分量衰減為零，故障電流只含基波分量。

非故障相過電壓倍數和消弧線圈補償程度無關，穩定在1.70倍（變為線電壓），沖擊過電壓倍數最高為2.37倍。由圖10～圖12相電壓波形圖可以看出，故障結束時，由于消弧線圈的緩沖作用，故障相電壓逐漸上升，延緩了故障相電壓恢復速度，有利于防止電弧的重燃。

對于中性點經消弧線圈接地系統，故障切除后，由于RLC電路中儲存一定的能量，中性點的電壓會出現振蕩衰減現象，故障相對地電壓為穩態相電壓與中性點振蕩電壓之差，因此，故障相電壓的恢復也是一個振蕩過程。當系統處于全補償（見圖11）狀態時，故障相電壓逐漸恢復到穩態相電壓，恢復電壓的最大值不超過相電壓的幅值，且恢復到穩態的時間較長；當系統處于欠補償（見圖10）或過補償（見圖12）狀態時，故障相電壓恢復過程會出現“拍頻”現象，此時恢復電壓的最大值有可能超過相電壓幅值，且恢復到穩態的時間較短。

圖10 消弧線圈電感值為0．9L時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．10 Arc suppression coil is 0．9L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖11 消弧線圈電感值為L時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．11 Arc suppression coil is L（a） Three-phase voltage to ground ；（b） Fault current

圖12 消弧線圈電感值為1．1L時的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．12 Arc suppression coil is 1．1L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

當中性點不接地或經電阻接地時，故障切除后，故障相對地電壓的恢復過程是有所不同的，前者類似于電容充放電的過程（過渡過程比較明顯，見圖4和圖5），后者則是接地電阻越小，電容電荷在接地電阻上釋放越快，沒有明顯的過渡過程，見圖6～圖8。

3 結束語

大型水電站特別是抽水蓄能電站廠用電系統有著自身的特點，其高壓廠用變壓器數量及容量均有備用，主流設計是單臺高壓廠用變壓器可以帶全廠負荷運行，重要負荷的配電變壓器一般均有備用或者采用雙電源供電，當發生故障時，可迅速切除故障，利用備自投實現電源的自動切換，因而廠用電系統沒有帶接地故障運行的必要性。

且電纜為非自恢復絕緣，發生單相接地故障一般來說均為永久性故障，若繼續運行，故障處絕緣會被迅速燒壞，以致發展成為相間故障，必須迅速切斷電源，避免事故擴大，即便采用消弧線圈，也只是一定程度上降低了接地故障電流，很難及時排除故障，在以電纜為主的廠用電系統中不能有效發揮作用[6]。

而低電阻接地可以使接地故障的檢測手段大為簡單、可靠，準確快速切除故障，同時也可降低過電壓水平（如前所述），減小單相接地發展成相間短路的概率，防止事故擴大[8]。

綜上所述，大型水電站（含抽水蓄能電站）中壓廠用電系統，當單相接地故障電容電流不大于7A時，可采用不接地方式，保護動作于信號（需要現場人工即時干預）；當單相接地故障電容電流大于7A時，宜采用中性點低電阻接地方式，保護動作于跳閘。

鑒于大型水電站（含抽水蓄能電站）的運行逐步向無人值班過渡，遇有故障應能自動處理，不需要現場人工即時干預，本著“故障導向安全”的設計原則[9]，進一步建議中壓廠用電系統中性點采用經低電阻接地方式，兼顧保護的選擇性和靈敏度的要求，以確保大型水電站（含抽水蓄能電站）的安全穩定運行。

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