水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置選型分析

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

大型水輪發(fā)電機(jī)均設(shè)有中性點(diǎn)接地裝置，其主要目的：一是降低定子線圈一點(diǎn)接地故障下的接地故障電流，防止造成定子鐵心的大面積損壞；二是限制故障點(diǎn)暫態(tài)過電壓和傳遞過電壓，避免損壞絕緣。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，要求接地故障電流的阻性分量大于等于容性分量，以保證接地暫態(tài)過電壓小于2.6倍的相電勢[1]。中性點(diǎn)接地裝置選型時，一般按該2個電流分量相等進(jìn)行參數(shù)計算。

近年來，隨著水輪發(fā)電機(jī)容量不斷增加，電壓和回路電容也不斷增大，導(dǎo)致電機(jī)電容電流過大，必須依靠中性點(diǎn)接地裝置提供感性電流予以補(bǔ)償以降低接地點(diǎn)故障電流[2]。而部分機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)的研究結(jié)果表明，中性點(diǎn)接地裝置提供補(bǔ)償感性電流之后，會導(dǎo)致正常運(yùn)行時電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓出現(xiàn)放大趨勢，放大倍數(shù)約等于電容電流與期望的接地點(diǎn)故障電流的比值。雖然中性點(diǎn)位移電壓產(chǎn)生的根源是電機(jī)三相回路電容的不平衡，但是追求過小的接地點(diǎn)故障電流會加劇中性點(diǎn)位移電壓放大現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的中性點(diǎn)位移電壓，甚至超過10%相電勢的標(biāo)準(zhǔn)允許值。

1 中性點(diǎn)接地裝置主要參數(shù)計算

1)某大型水輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定電壓UN=24 kV；

發(fā)電機(jī)單相對地電容Cg=3.53 μF；

接地點(diǎn)故障電流Ik=25 A。

2)參數(shù)計算

發(fā)電機(jī)電容電流為

(1)

接地點(diǎn)故障電流為

(2)

中性點(diǎn)接地裝置一次側(cè)電流為

(3)

(4)

等效至一次側(cè)的中性點(diǎn)接地裝置阻抗為

(5)

接地變壓器容量為

(6)

接地變壓器容量取值為

S=225 kVA

(7)

從上面計算式可以看出，只要發(fā)電機(jī)基本參數(shù)和接地故障電流確定，中性點(diǎn)接地裝置等效至一次側(cè)的參數(shù)就已經(jīng)確定了。不同型式的裝置，其參數(shù)選擇的區(qū)別在于二次側(cè)電壓(或接地變壓器變比)的選取以及二次側(cè)回路阻抗的實現(xiàn)方式。

2 中性點(diǎn)接地方案

應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方案主要有兩種：高阻抗變壓器方案和并聯(lián)電抗方案[1-3]。

1)高阻抗變壓器方案

高阻抗變壓器方案接線原理如圖1所示，中性點(diǎn)經(jīng)二次側(cè)帶負(fù)載電阻的接地變壓器接地。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時，在定子繞組一點(diǎn)接地繼電保護(hù)的配合下瞬時切除故障，防止定子鐵心受損壞。中性點(diǎn)接地裝置包括連接電纜、隔離開關(guān)、接地變壓器、負(fù)載電阻、電流互感器、柜體、相關(guān)附件以及所有必需的內(nèi)部連接等。中性點(diǎn)裝置的電阻由變壓器自身電阻和外接串聯(lián)電阻組成，而電抗由高阻抗變壓器自身提供。

2)并聯(lián)電抗方案

并聯(lián)電抗方案接線原理如圖2所示。中性點(diǎn)經(jīng)二次側(cè)帶負(fù)載電阻和并聯(lián)電抗的接地變壓器接地，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時，保證在定子繞組一點(diǎn)接地繼電保護(hù)的配合下瞬時切除故障，防止定子鐵心受損壞。中性點(diǎn)接地裝置包括連接電纜、隔離開關(guān)、接地變壓器、負(fù)載電阻、并聯(lián)電抗、電流互感器、柜體、相關(guān)附件、所有必需的內(nèi)部連接等。接地變壓器提供部分電阻和電抗，外接的電阻和電抗并聯(lián)回路提供剩余部分。

G-發(fā)電機(jī)；C-單芯電纜；D-隔離開關(guān)；T-接地變壓器；CT1、CT2-電流互感器；R-負(fù)載電阻圖1 高阻抗變壓器方案

G-發(fā)電機(jī)；C-單芯電纜；D-隔離開關(guān)；T-接地變壓器；CT1、CT 2-電流互感器；R-負(fù)載電阻；X-并聯(lián)電抗圖2 并聯(lián)阻抗變壓器方案

3 兩種方案接地變壓器和二次側(cè)元件參數(shù)

兩種方案接地變壓器和二次側(cè)元件參數(shù)及計算見表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，兩種方案的接地裝置均能計算得到合適的參數(shù)配置，而且等效至一次側(cè)的參數(shù)完全一致。

表1 兩種方案接地變壓器和二次側(cè)參數(shù)對比

4 兩種方案參數(shù)調(diào)節(jié)對短路電流和中性點(diǎn)偏移的影響分析

中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)調(diào)節(jié)的需求主要基于兩點(diǎn)：

1)回路電容、裝置參數(shù)計算值與實際運(yùn)行值可能存在差異，需要根據(jù)實際運(yùn)行情況對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2)如果運(yùn)行過程中發(fā)生了較為嚴(yán)重的中性點(diǎn)位移現(xiàn)象，可以通過調(diào)節(jié)裝置參數(shù)，降低位移電壓放大倍數(shù)，在一定程度上降低中性點(diǎn)位移電壓；反之，如果中性點(diǎn)位移電壓控制效果很好，可以通過調(diào)整裝置參數(shù)進(jìn)一步減小接地故障電流。

中性點(diǎn)裝置參數(shù)調(diào)節(jié)需要保證：

1)接地故障電流中的阻性分量大于等于容性分量；

2)接地故障電流不超過25 A。

中性點(diǎn)裝置接入后，中性點(diǎn)位移電壓放大系數(shù)計算公式為

(8)

下面按照±15%的調(diào)節(jié)范圍，對兩種方案參數(shù)調(diào)節(jié)對接地點(diǎn)故障電流、故障電流中阻性與容性成分的比值以及中性點(diǎn)位移電壓放大系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的影響進(jìn)行定量分析對比。

4.1 高阻抗變壓器方案參數(shù)調(diào)節(jié)

高阻抗變壓器方案參數(shù)調(diào)節(jié)的計算結(jié)果見表2。

表2 高阻抗變壓器方案參數(shù)調(diào)節(jié)計算

從表2數(shù)據(jù)可以看出，由于受故障電流中阻性與容性分量比值的限制，高阻抗變壓器方案二次側(cè)外接電阻僅能朝偏小值調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)結(jié)果使位移電壓放大系數(shù)增加和接地故障電流減小。也就是說，高阻抗變壓器方案僅能實現(xiàn)在中性點(diǎn)位移電壓較小時，以放大位移電壓為代價從而降低接地故障電流。而當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓較大時，并不能通過參數(shù)調(diào)節(jié)達(dá)到降低位移電壓的目的，其調(diào)節(jié)效果是單向的。

4.2 并聯(lián)電抗方案參數(shù)調(diào)節(jié)

并聯(lián)電抗方案在不同外接電阻和并聯(lián)電感參數(shù)調(diào)節(jié)下，計算得到的接地故障電流值見表3，故障電流中阻性與容性分量的比值見表4，位移電壓放大系數(shù)見表5。

表3中，灰色底紋區(qū)域表示接地故障電流滿足不大于25 A的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，加粗字體區(qū)域?qū)?yīng)表4中可選但接地故障電流大于25 A的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍。

由表4可以得知，由于受故障電流阻性與容性分量比值的限制，外接電阻和并聯(lián)電感的調(diào)節(jié)范圍僅能在表4中的灰色底紋區(qū)域選取。

將表3和表4的參數(shù)選擇區(qū)域整合到表5，并結(jié)合位移電壓放大系數(shù)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓較大時，可以通過選擇表5中字體加粗區(qū)域的參數(shù)配置，以減小中性點(diǎn)位移電壓，但代價是接地故障電流會超過25 A。中性點(diǎn)位移電壓最大可減少13%，此時接地故障電流增大至28.6 A。

2)當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓較小時，可以通過選擇表5灰色底紋區(qū)域的參數(shù)配置，以提高中性點(diǎn)位移電壓為代價，減小接地故障電流。接地故障電流最小可調(diào)節(jié)至20.8 A，此時中性點(diǎn)位移電壓增大至19.8%。

因此，并聯(lián)電抗方案的參數(shù)調(diào)節(jié)是雙向的，相比高阻抗變壓器方案其現(xiàn)場調(diào)節(jié)的靈活性更好。

需要說明的是，上述計算僅是針對調(diào)節(jié)比例在±15%范圍內(nèi)電阻和電感參數(shù)調(diào)節(jié)的趨勢計算，因受限于元件制造難度，電阻和電感實際的可調(diào)節(jié)范圍和抽頭數(shù)量并不會按表中計算點(diǎn)設(shè)計，調(diào)度幅度有限。

表3 不同參數(shù)下接地故障電流計算結(jié)果(并聯(lián)電抗方案)

表4 不同參數(shù)下故障電流中阻性和容性分量比值(并聯(lián)電抗方案)

表5 不同參數(shù)下位移電壓放大系數(shù)(并聯(lián)電抗方案)

從上面計算結(jié)果可以看出，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的中性點(diǎn)電壓位移時，通過調(diào)節(jié)中性點(diǎn)接地裝置的參數(shù)以期望減少中性點(diǎn)位移電壓的幅度是有限的，只能作為一種輔助措施。根本的措施還是需要對三相回路電容平衡性進(jìn)行嚴(yán)格限制，或者在回路適當(dāng)位置通過電容調(diào)節(jié)來改善三相回路電容的平衡性。

5 結(jié) 語

兩種接地方案均能計算得到合適的參數(shù)配置，而且等效至一次側(cè)的參數(shù)完全一致。

案例中，高阻抗變壓器方案僅能實現(xiàn)在中性點(diǎn)位移電壓較小時，以放大位移電壓為代價來降低接地故障電流。而當(dāng)中性點(diǎn)位移電壓較大時，并不能通過參數(shù)調(diào)節(jié)實現(xiàn)降低位移電壓的目的，其調(diào)節(jié)效果是單向的。而并聯(lián)電抗方案的參數(shù)調(diào)節(jié)是雙向的，相比高阻抗變壓器方案其現(xiàn)場調(diào)節(jié)的靈活性更好。具體的案例需要具體分析，所提分析方法有助于其他機(jī)組的中性點(diǎn)裝置選型。