集高電阻和電抗器功能為一體的接地裝置在二灘水電站的應(yīng)用

李張秀，郭玉恒

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617100）

0 前言

目前，我國大容量發(fā)電機中性點接地主要采用消弧線圈接地和接地變壓器高阻接地兩種方式，兩種方式相對獨立存在。消弧線圈接地方式主要作用原理是用電感電流補償發(fā)電機單相接地時流過故障點的電容電流，從而降低故障點的故障電流幅值。接地變壓器高阻接地方式主要作用原理是消除部分殘余電荷和電能，限制暫態(tài)過電壓[1]，增大零序回路阻尼，避免傳遞過電壓和暫態(tài)過電壓對發(fā)電機的危害。采用接地變壓器高阻接地方式在國內(nèi)外被應(yīng)用廣泛[2]。

二灘水電站發(fā)電機單機容量為550 MW，額定電壓18 kV，定子繞組單相對地電容1.686 μF，中性點接地方式采用接地變壓器高阻接地，變壓器額定容量75 kVA，變比14.4 kV/120 V，二次負(fù)載電阻8.62×10-2Ω。2016年2月，二灘水力發(fā)電廠在對2號機組定子改造前期準(zhǔn)備工作中，分別在帶接地變和不帶接地變情況下，模擬發(fā)電機出口單相接地故障，對發(fā)電機中性點不對稱電壓、位移電壓和單相接地點故障電流幅值進行了測試[3]。測試數(shù)據(jù)如表1。

從表1可知，采用接地變壓器高阻接地方式，流過故障點的故障電流幅值比沒有接入接地變壓器時略大，且兩種運行方式的接地點故障電流幅值均超過《電力工程電氣設(shè)計手冊 電氣一次》要求的10～15 A[1]。

表1 測試數(shù)據(jù)記錄表

為確保改造后的設(shè)備安全穩(wěn)定運行，滿足規(guī)程規(guī)范要求，二灘水力發(fā)電廠同設(shè)計院、廠家充分溝通和研究，決定采用集高電阻和電抗器功能為一體的復(fù)合型接地裝置。

二灘水力發(fā)電廠已于2017年完成二灘水電站2號發(fā)電機的改造工作，集高電阻和電抗器功能為一體的接地裝置已投入運行，投運截止到2020年，接地裝置運行穩(wěn)定可靠。本文簡要闡述接地裝置和參數(shù)的選擇及應(yīng)用效果。

1 定子繞組單相接地電容電流的計算

計算發(fā)電機單相對地電容電流除考慮定子繞組單相對地電容，同時還應(yīng)考慮發(fā)電機出口封閉母線電容、GCB兩側(cè)電容、主變低壓側(cè)電容以及廠高變、勵磁變高壓側(cè)電容，各設(shè)備電容如下：

（1）發(fā)電機定子繞組單相對地電容為2.09 μF，三相電容之和C1為6.27 μF；

（2）發(fā)電機出口封閉母線三相電容值C2為：0.029 μF；

（3）主變壓器三相電容C3為：C3A+C3B+C3C=0.027 28+0.026 87+0.026 99=0.081 14 μF；

（4）勵磁變壓器高壓側(cè)電容C4為：

（5）廠高變高壓側(cè)電容C5為：

（6）GCB發(fā)電機側(cè)電容C6為：

（7）GCB主變側(cè)電容C7為：

（8）三相總電容C為：

計算發(fā)電機單相對地電容電流IC為：

IC——發(fā)電機三相對地電容電流，A；

C——發(fā)電機三相對地電容，μF；

ω——角頻率，ω=2πf；

Un——發(fā)電機額定電壓，kV。

2 接地裝置變壓器一次電流的計算

根據(jù)NB/T 35067-2015《水力發(fā)電廠過電壓保護和絕緣配合設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》“3.4中性點高電阻接地方式”相關(guān)內(nèi)容，發(fā)電機中性點接入電阻值的大小，將影響發(fā)電機中性點的暫時過電壓值。按運行機組耐壓值為1.5倍發(fā)電機的額定電壓，則健全相暫時過電壓不宜超過2.6倍相電壓。為滿足以上要求，則發(fā)電機單相接地時電阻電流應(yīng)不小于電容電流，且根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊 電氣一次》的有關(guān)要求，盡可能限制單相接地故障電流不超過10～15 A，因此，擬選取發(fā)電機單相接地故障點電流為13.5 A，同時補償后的電容電流按電阻電流大小選取。則：

電阻電流：

補償后的電容電流：

補償電感電流：

因此，接地變一次側(cè)電流為：

3 接地裝置變壓器容量選擇及結(jié)構(gòu)要求

為防止發(fā)電機發(fā)生單相接地時，變壓器產(chǎn)生較大的勵磁涌流，變壓器額定電壓的選擇不宜低于發(fā)電機額定電壓，變壓器的一次電壓取發(fā)電機的額定電壓。

變壓器容量與其工作時間有關(guān)，按以下計算。

式中：

S——變壓器容量，kVA；

U1——變壓器額定電壓，kV；

I1——發(fā)電機單相接地時接地變一次側(cè)電流，A；

k1——過負(fù)荷系數(shù)，過負(fù)荷持續(xù)時間按照10 min，查曲線（見圖1），過負(fù)荷系數(shù)為2.35。

圖1 變壓器故障運行時間和過負(fù)荷系數(shù)的曲線

按容量標(biāo)準(zhǔn)取接地變壓器額定容量為180 kVA。則實際過負(fù)荷系數(shù)為：

因此，選擇額定容量為180 kVA的F級絕緣耐熱等級的環(huán)氧澆注型干式變壓器，二次側(cè)額定電壓為0.5 kV，短路阻抗為4%。變壓器引線和抽頭的支撐應(yīng)使所有的重量不由線圈負(fù)擔(dān)，線圈應(yīng)支撐牢固。鐵心應(yīng)嚴(yán)格夾緊以避免運輸中位移或運行時的振動。從變壓器至發(fā)電機中性點的連接應(yīng)為單相母線，接地變柜內(nèi)應(yīng)提供與其連接的布置空間。母線的引入口的位置應(yīng)與整套接地裝置的設(shè)計相配合，并應(yīng)提供固定母線的支架。內(nèi)部的高壓連接應(yīng)按定子繞組的全線電壓絕緣。高壓繞組為密閉式，與二次繞組之間對地靜電屏蔽。

4 接地裝置變壓器低壓側(cè)接入電阻和電抗器的計算

根據(jù)上述計算的接地變等效一次側(cè)電阻電流和電感電流，可以計算出接地變二次側(cè)相應(yīng)的電阻電流和電感電流分別為：

發(fā)電機發(fā)生單相接地故障時，中性點電壓為相電壓,此時接地裝置變壓器二次回路參數(shù):

考慮變壓器的有功損耗通常不超過額定容量的2%，即180×0.02=3 600 W

減去變壓器有功損耗等效電阻后的阻抗:

R2——變壓器低壓側(cè)接入電阻值，Ω；

L2——變壓器低壓側(cè)接入電抗值，Ω；

U2——變壓器低壓側(cè)電壓，0.5 kV；

k——變壓器變比，36；

P——變壓器總損耗，W。根據(jù)同容量配電變壓器損耗約為3 600 W。

根據(jù)上述計算接地裝置變壓器二次側(cè)使用電抗器時，電阻器的電阻值為0.89 Ω（冷態(tài)），電阻值調(diào)整允許范圍在-15%～+15%以內(nèi)，電阻器的抽頭數(shù)量不少于7個，便于選擇合理的電阻值（定子接地保護裝置一般要求電阻為0.5～1 Ω）。二次電抗器額定電抗為0.49 Ω(25 ℃)，額定電感量為1.56 mH（電抗值允許范圍在-15%～+15%以內(nèi)），二次電抗器有抽頭不少于7個，便于選擇合理的電抗值。

接地裝置變壓器本身的短路阻抗串聯(lián)在中性點接地回路中，對最終故障電流大小有影響，因此二次補償電抗器以及電阻器的數(shù)值在工廠制造時需根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行適當(dāng)調(diào)整以保證故障電流在保證值的±10%的允許范圍內(nèi)。

5 應(yīng)用效果

接地裝置出廠前進行了模擬單相接地試驗，在電阻4檔（R=0.89 Ω）、電抗器5檔（XL=0.49 Ω）時，設(shè)計計算故障點電流為13.5 A，實測值為12 A，滿足計算要求。在這種參數(shù)配置條件下，模擬發(fā)電機中性點位移電壓為337 V，是額定相電壓的3.2 %，也滿足發(fā)電機組長期運行的要求。

2號機定子改造后實測定子繞組單相對地電容約2.47 μF，比設(shè)計電容值大，如電阻器和電抗器仍然選擇為出廠檔位，則實際單相對地電容電流將變大。為了驗證接地裝置選型的正確性，經(jīng)復(fù)核計算后將電阻器檔位調(diào)至5檔（R=0.93 Ω），電抗器檔位調(diào)至4檔（XL=0.47 Ω），調(diào)整后進行了驗證試驗。試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 測試數(shù)據(jù)記錄表

從表2數(shù)據(jù)可知，在接地裝置變壓器的二次側(cè)加裝電抗器補償后，可有效將定子單相接地故障電流限制在10～15 A以內(nèi)。雖然此種方式會導(dǎo)致中性點位移電壓有所升高，但影響不大，完全滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

6 對定子注入式接地保護的影響

采用新型中性點接地裝置后，試驗發(fā)現(xiàn)模擬定子繞組接地電阻為7 kΩ以上時超出了保護裝置測量量程。最終將二次側(cè)CT安裝位置進行了重新調(diào)整，并將零序電流判據(jù)改為電壓判據(jù)后，注入式定子接地保護運行正常。

7 結(jié)論

集高電阻和電抗器功能為一體的中性點接地裝置已在二灘水電站成功應(yīng)用，它不僅能有效限制傳遞過電壓和暫態(tài)過電壓對發(fā)電機的危害，而且還能將單相接地故障電流限制在允許運行范圍內(nèi)，大大降低了發(fā)電機發(fā)生單相接地故障后事故惡化的可能性，提高了發(fā)電機運行可靠性，此方式值得推廣。