陳啟豪,錢厚軍,陳子明,易非凡,李景亳,張 蕓,劉 歡,劉 鵬,李書平
(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)
秦一廠一號機組采用發電機-變壓器組單元接線方式,發電機系上海發電機廠設計制造的第一代30萬千瓦級雙水內冷發電機,型號為QFS-310-2,電壓18 kV,功率310 MW,功率因數0.85(滯后),發電機采用中性點經消弧線圈接地方式,消弧線圈設置為欠補償方式。該機組于1991年12月投入并網運行。
2007年實施了發電機第一次增容改造,功率提升到330 MW,功率因數提高到0.9(滯后),視在功率不變。2018年結合電廠運行許可證延續項目再次實施擴容改造,功率提升到350 MW,功率因數0.9(滯后),視在功率也相應提升,勵磁系統由三機勵磁方式改造為機端自并勵方式,發電機效率由98.80%提高至98.85%。
按照相關設計標準,發電機中性點采用消弧線圈接地時應設置為欠補償方式,補償后發電機發生單相接地時允許故障電流為不大于1 A。第二次擴容改造由于采用了新的設計與工藝,發電機端部結構有所變化,同時由于勵磁系統的改變,致使發電機端所連設備和裝置對地電容改變,為確保消弧線圈仍舊工作在欠補償方式最佳工作點,有必要對消弧線圈參數進行核算并重新整定。
假定發電機A相直接接地短路,不計定子繞組阻抗壓降,發電機中性點連接消弧線圈,如圖1所示。圖中,UA,UB,UC為發電機各相電壓;CA,CB,CC為發電機各相接地電容。

圖1 單相接地故障中性點經消弧線圈接地示意圖
為便于計算分析,將圖1轉化為等效電路形式,如圖2所示。

圖2 單相接地故障中性點經消弧線圈系統等效電路圖

首先,由圖2可得電容電流:
(1)

(2)
假定Z=R+jXL,可得阻抗電流:
(3)
根據基爾霍夫電流定律,故障相電流(入地電流):
(4)
式(4)中,虛部(IC-IL)表示消弧線圈對電容電流的削弱作用,將(IC-IL)視為廣義電容電流。
若考慮各電流為已知量,則阻抗可表示為電阻部分(實部):
(5)
電抗部分(虛部):
(6)
式(5)與式(6)即為計算消弧線圈阻抗參數通用公式。
機端連接設備和裝置一般有主變壓器、發電機封閉母線 (電力電纜、電流互感器、電壓互感器及過電壓保護電容器在整定計算時可以忽略不計)。
發電機機端電壓:UN=18 kV;
發電機定子單相對地電容Cf:0.277 μF;
主變繞組三相對地電容CT:0.030 52 μF。
離相封閉母線的外殼是接地的,單相對地電容可按同軸圓導體電容計算:
(7)
式中,CFM——封閉母線每相對地電容,μF;
l——封閉母線長度,m;
RR、RM——封閉母線外殼和導體半徑,m;
ε——空氣的介電常數,ε=8.86×10-12。
計算離相封閉母線單相對地電容CM:0.000 076 11 μF/m;
核實秦山一廠發電機封閉母線布置圖,離相封閉母線長度:40 m。
電容電流的計算,包括發電機及其電壓回路的設備和連接線對地電容電流:
CΣ=0.290 2 μF
式中,XC——發電機回路電抗,Ω;
CΣ——發電機回路總對地電容;
ω——發電機角頻率。
當認為消弧線圈為純電感時,通常定義補償系數k為電容電流與電感電流有效值的比值。但考慮消弧線圈本身及附加的電阻時,這樣定義就不準確了,因為流經消弧線圈的并不是純電感電流,這時應該從消弧線圈的補償機理出發定義k為電容電流與消弧線圈的感性分量電流有效值的比值,以下按此定義計算。 經消弧線圈接地可以將故障電流限制在允許接地電流范圍內,其串聯小值電阻后,可以降低暫態過電壓,并把傳遞過電壓限制在安全范圍內。Ia為補償后的故障電流,Iδ為設定的允許接地電流,計算滿足允許接地電流時的消弧線圈電感L和電阻R及相應的補償系數k。
(8)
(9)
聯立(7)與(8)解得:
(10)
所以,若將故障電流限制在Iδ范圍內,補償系數應滿足(10)關系。
根據GB 14285—2016繼電保護和安全自動裝置技術規程[1]規定,采用消弧線圈接地時,發電機允許單相故障電流值如表1所示。

表1 發電機允許單相故障電流


秦一廠原消弧線圈實際接線如圖3所示,實測各檔參數見表2。

圖3 消弧線圈實際接線圖

表2 發電機消弧線圈試驗數據


表3 感性電流計算值
第四檔抽頭4-5與計算值最接近,考慮選用第四檔位。
殘余電流:I=0.352 A<1 A。
單相接地故障時可不跳閘停機,保護動作于信號。
本文針對中性點經消弧線圈接地的發電機,對其消弧線圈的參數進行了推導計算,并結合秦山核電廠30萬千瓦級發電機擴容改造,對消弧線圈進行了參數核算和檔位微調,確保發電機及其消弧線圈工作在欠補償方式的最佳工作點,可供同類接線方式的發電機消弧線圈的設計制造和參數核算參考。