大容量水輪發電機中性點接地裝置設計關鍵技術

崔磊　劉亞青　朱釗　梁波

摘要：大容量水輪發電機中性點接地裝置參數配置需要考慮接地故障電流、暫態過電壓、中性點位移電壓、定子注入保護配置策略等。為此，從接地故障電流、暫態過電壓2個方面開展了分析：① 基于有限元分析方法，計算了不同接地故障電流下的鐵心燒蝕情況，得出了接地故障電流在不同控制條件下的限值。② 基于電磁暫態分析技術，計算了不同參數配置下的接地暫態過電壓，給出了接地裝置配置形式選擇的建議。通過開展接地故障電流限值和暫態過電壓研究，明確了大容量水輪發電機中性點接地裝置選型配置的控制邊界條件，基于研究結果，推薦采用串聯方式配置中性點接地裝置。

關鍵詞：大容量水輪發電機; 中性點接地裝置; 接地故障電流; 暫態過電壓

中圖法分類號： TM41

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.017

0引 言

對于大容量水輪發電機中性點接地裝置參數的配置，主要是從接地故障電流和暫態過電壓的限制角度來考慮的[1]。此外，還有中性點位移電壓、定子注入保護配置策略等[2-4]，這些因素也會影響大容量水輪發電機中性點接地裝置的選擇。

烏東德和白鶴灘水電站采用的巨型水輪發電機組，其定子回路單相對地電容電流超過了30 A，部分機組接近58 A。顯然，此時再采用傳統高阻接地的方式，單相接地故障電流將會過大[5-6]，從而會對發電機的安全造成威脅[7-8]。因此，擬采用在高阻接地方式的基礎上增加補償電抗的方式，補償一定的電容電流，以達到降低接地故障電流的效果。

單純從控制接地故障電流的角度來說，上述工程方案是可行的。但是中性點接地裝置參數的選擇，實際上是基于接地故障電流、暫態過電壓、中性點位移電壓等多個角度綜合考慮而提出的，NB/T 35067-2015、IEEE C37.101、IEEE C62.92中均是綜合考慮了各個影響因素之后，提出了簡便的確定中性點參數的方法[9-11]。簡單仿照上述3個標準中的方法，推算巨型水輪發電機組參數，將會給發電機的安全穩定運行帶來巨大的隱患。

本文將從接地故障電流、暫態過電壓2個方面，來分析目前大容量水輪發電機中性點接地裝置設計的相關情況，并最終推薦采用串聯方式配置中性點接地裝置。

1接地故障電流的限值

1.1限制接地故障電流原因

發電機中性點接地裝置參數配置的一個主要考慮因素，就是限制發電機電壓回路及發電機本體接地故障電流。

大容量水輪發電機電壓回路接地故障主要發生在離相封閉母線導體和外殼之間，主要原因是水霧、灰塵等的侵入引起離相封閉母線導體對外殼放電。該類型故障一般而言不會對設備造成大的損壞，故障消除后不會影響水電站送出電能，主要損失為電量損失及設備維護費用。

發電機本地接地故障主要發生在定子線棒和鐵心之間，如圖1所示。由于定子繞組絕緣層老化、振動磨損等原因，繞組線棒的絕緣材料擊穿，繞組與定子鐵心之間形成接地電弧。疊片鐵心中某一點與繞組線棒發生電弧擊穿，形成穩定的接地電弧，電弧產生的熱量使定子鐵心升溫發生液化、汽化過程，從而形成對鐵心的燒蝕。一般而言，接地故障電流越大，電弧能量越高，燒蝕情況就會越嚴重。因此，有必要限制接地故障電流幅值。

1.2接地故障電流限值

1.2.1電弧能量等效

整個定子鐵心燒蝕過程可被視為：以電弧作為熱源，

于定子鐵心某點持續施加熱源，進而導致該點處的溫度升高，同時熱量向周圍傳導。當施加的熱源使得定子鐵心局部溫度超過其對應的熔點時，發生鐵心的燒損[12]。

上述過程中，熱源為電弧，電弧功率等于弧電壓和弧電流的乘積[13-15]，電弧功率的耗散途徑包括：

① 燒毀線棒絕緣及線棒本體;

② 燒損定子鐵心[16]。

本文中，考慮電弧功率施加于定子鐵心與線棒的比例為1∶1，其他能量耗散不予考慮[17-19]。

電弧功率可通過相關參考文獻的實測數據擬合得到[20]，表1為文獻中的實測數據。

1.2.2導熱系數

定子鐵心被電弧燒損的過程中，定子鐵心上的散熱途徑為定子鐵心內部的固體傳熱。由于定子鐵心是疊片式硅鋼片，疊片之間的絕緣漆將會在一定程度上影響散熱，因此定子鐵心的導熱系數是各向異性的。針對圖3所示的疊片結構，Y、Z方向沒有絕緣漆，其導熱系數相同，由硅鋼片和絕緣漆的熱導并聯而成，合成導熱系數的計算見式（3）;X軸方向上有絕緣漆，其導熱系數為硅鋼片和絕緣漆的串聯，合成熱導系數的計算見式（4）。

1.2.3燒蝕情況分析

使用有限元軟件COMSOL對這個過程進行了仿真計算。建立體積為20 mm×20 mm×20 mm的模型作為研究對象，特性材料比熱容為460 J/（kg·K），密度為7 800 kg/m3。設定電弧施加于定子鐵心表面1 mm×1 mm的面積上，鐵心熔點為1 400 ℃（1 673 K），觀測不同功率和不同施加時間下，定子鐵心內部溫度大于1 400 ℃（1 673 K）的區域，即為定子鐵心的燒蝕情況。如圖5～7所示，當電弧功率為1 500 W（對應短路電流為27.77 A），電弧持續時間為0.03 s時，將會在鐵心表面燒出深約0.998 mm的區域;當電弧持續時間為0.05 s時，鐵心表面燒出的深度為1.24 mm;當電弧持續時間為0.1 s時，鐵心表面燒出的深度為1.46 mm。隨著持續時間或電弧功率的增大，燒蝕區域也增大。

基于鐵心不發生任何燒蝕的條件，此時，計算截止條件為硅鋼疊片達到熔點即止，這是指在不同的電弧功率下，觀測計算模型中任何一點達到1 400 ℃所需要的時間（基礎溫度為80 ℃），即硅鋼片未發生擊穿。同時，也計算了截止條件為擊穿1片硅鋼片（1片硅鋼片的厚度為0.5 mm）、2片硅鋼片與4片硅鋼片這3種情況。在這種情況下，結合圖5，最終確定的不同接地故障電流持續時間的關系如圖8所示。

根據圖8，以及短路故障后保護措施動作的時間，即可確定短路電流限值。若保護動作時間為0.10 s，考慮硅鋼片不發生擊穿，則此時的接地電流的限值推薦為13 A;若考慮擊穿1片硅鋼片，則此時的接地電流限值推薦為15 A;若考慮擊穿2片硅鋼片的情況，則此時的接地電流限值推薦為27 A;若考慮擊穿4片硅鋼片的情況，則此時的接地電流限值可達到30 A。

上述接地故障電流限值是基于本文模型提出來的。其他同類型機組在研究這類問題時，可進一步結合對應機組的鐵心材料、鐵心結構、線棒空間位置，針對機組自身情況開展專門研究，并提出對應的接地故障電流限值。

2接地暫態過電壓限值

NB/T 35067-2015《水力發電廠過電壓保護和絕緣配合設計技術導則》、IEEE C37.101和IEEE C62.92中均明確了發電機暫態過電壓幅值不超過2.6 p.u.。暫態過電壓主要與接地裝置參數配置以及電弧重燃次數相關。

采用MATLAB軟件，針對某電站巨型水輪發電機組在不同接地裝置參數配置下的接地暫態過電壓進行了仿真計算。計算過程中考慮了多次重燃弧，而且每次重燃弧均保障發生在過電壓最大條件下，直至過電壓不再增大為止。

考慮了2種巨型水輪發電機組接地裝置的參數配置有：一種是采用高阻抗變壓器方案，即串聯方案（見表2）;另外一種為采用接地變壓器二次側接電抗方案，即并聯方案（見表3）。本文針對這2種形式也開展了計算分析。分析等效電路圖如圖9所示。

結合表2和表3中列出的數值，可總結出如下規律：

（1） 針對某一臺機組，采用“電阻+電抗”串聯聯接時，隨著R的增大，當采用過補償與欠補償方式時，暫態過電壓值越來越小，而在全補償方式即諧振，暫態過電壓隨著R的增大而增大，但并不明顯;隨著脫諧度絕對值的減小，暫態過電壓幅值越來越小。

（2） 針對某一臺機組，采用“電阻+電抗”并聯聯接時，隨著R的增大，暫態過電壓值越來越大;隨著脫諧度絕對值的減小，暫態過電壓幅值越來越小。

（3） 針對串聯和并聯2種聯接方式，通過優化配置電阻、電抗參數，能控制暫態過電壓幅值在2.6 p.u.以內;同時，相同短路電流下，以多次重燃弧后暫態過電壓最大值考慮，并聯聯接方式控制的效果好于串聯聯接方式。

在計算過程中發現：采用串聯方式重燃弧次數多于并聯方式，從而導致相同接地故障電流控制指標下串聯方式的過電壓大于并聯方式。但由于多次重燃弧發生，且每次發生均會導致最大過電壓發生的工況極為罕見。因此，從實際工程應用角度來說，串聯和并聯諧振并無明顯優劣。

同時，考慮到需與二次保護配置相配合，采用串聯的方式變動會更小。因此，在烏東德、白鶴灘等巨型水電站工程中，依然推薦采用串聯方式配置中性點接地裝置。

3結 論

本文從接地故障電流、暫態過電壓2個方面開展了分析，并分別針對目前大容量發電機在中性點接地裝置設計中的2個因素展開了研究，得出如下結論。

（1） 以保護動作時間為0.10 s考慮，若以硅鋼片不發生擊穿為限值，則此時的接地電流的限值推薦為13 A;若考慮擊穿1片硅鋼片，則此時的接地電流限值推薦為15 A;若考慮擊穿2片硅鋼片的情況，則此時的接地電流限值推薦為27 A;若考慮擊穿4片硅鋼片的情況，則此時的接地電流限值可達到30 A。

（2） 采用“電阻+電抗”串聯聯接時，隨著R的增大，當采用過補償與欠補償方式時，暫態過電壓值越來越小，而在全補償方式即諧振，暫態過電壓隨著R的增大而增大，但并不明顯;隨著脫諧度絕對值的減小，暫態過電壓幅值越來越小。

（3） 采用“電阻+電抗”并聯聯接時，隨著R的增大，暫態過電壓值越來越大;隨著脫諧度絕對值的減小，暫態過電壓幅值越來越小。

（4） 針對串聯和并聯2種聯接方式，通過優化配置電阻、電抗參數，能控制暫態過電壓幅值在2.6 p.u.以內;同時，相同短路電流下，以多次重燃弧后暫態過電壓最大值考慮，并聯聯接方式控制的效果好于串聯聯接方式。

（5） 由于重燃弧導致過電壓的條件較為苛刻，因此從實際工程應用角度來看，串聯和并聯諧振并無明顯優劣。同時，考慮到需與二次保護配置相配合，采用串聯的方式變動會更小，因此，推薦采用串聯的方式配置中性點接地裝置。

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（編輯：趙秋云）