大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用高阻抗配電變壓器接地的配置方法

陳渝士，陶亦壽

（長(zhǎng)江科學(xué)院武漢長(zhǎng)江儀器自動(dòng)化研究所，武漢 430010）

大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用高阻抗配電變壓器接地的配置方法

陳渝士，陶亦壽

（長(zhǎng)江科學(xué)院武漢長(zhǎng)江儀器自動(dòng)化研究所，武漢 430010）

大型發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容較大，發(fā)生定子單相接地故障時(shí)電容電流也較大，采用中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地方式，能起到對(duì)過(guò)大故障電流限制的作用。采用高阻抗變壓器作為中性點(diǎn)接地變壓器的配置方法，利用變壓器內(nèi)在電抗生成的電感性電流，對(duì)故障電容電流進(jìn)行部分補(bǔ)償，在滿足抑制故障暫態(tài)過(guò)電壓要求的同時(shí)，將接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)，解決了配置大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置中常見(jiàn)的接地故障電流過(guò)大問(wèn)題。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)；接地裝置；高阻抗變壓器；配置方法

1 概 述

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地方式是目前廣泛采用的一種高電阻接地方式。該方式以一臺(tái)單相配電變壓器作為中性點(diǎn)的接地變壓器，而中性點(diǎn)經(jīng)變壓器一次側(cè)接地，變壓器二次側(cè)接入一合適的負(fù)載電阻。這種接地方式的主要原理及功能是：在發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障，中性點(diǎn)出現(xiàn)對(duì)地零序電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)對(duì)地電容通路中將產(chǎn)生電容性電流，引發(fā)故障暫態(tài)過(guò)電壓，危及發(fā)電機(jī)定子繞組安全；此時(shí)，接地裝置在中性點(diǎn)對(duì)地電壓作用下投入工作，變壓器二次側(cè)所帶負(fù)載電阻產(chǎn)生有功功率損耗，將事故暫態(tài)過(guò)電壓限制在允許范圍內(nèi)，防止定子繞組絕緣被擊穿，同時(shí)，繼電保護(hù)電路從變壓器二次側(cè)獲取事故信號(hào)和工作電源，在其配合下，斷路器快速跳閘，切除機(jī)組，防止事故擴(kuò)大。

根據(jù)ANSI／IEEEC37.101《發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則》和ANSI／IEEE C62.92《同步發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地應(yīng)用導(dǎo)則》，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用配電變壓器接地方式應(yīng)遵循以下原則：

（1）取中性點(diǎn)接地電阻值等于發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)三相對(duì)地容抗值，或中性點(diǎn)對(duì)地電阻性電流值等于電容性電流值，使限制故障暫態(tài)過(guò)電壓和故障電流的綜合效果達(dá)到最佳，此時(shí)暫態(tài)過(guò)電壓峰值約為2.6倍相電壓。

（2）接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)。

按照以上原則進(jìn)行接地裝置配置的基本方法是：按發(fā)電機(jī)的額定電壓、發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地電容等基本參數(shù)計(jì)算發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流；按照流經(jīng)接地裝置的電阻性電流等于故障電容性電流的原則，計(jì)算變壓器運(yùn)行容量并考慮其短時(shí)過(guò)載能力后選型；按照中性點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)三相對(duì)地容抗相等原則計(jì)算和確定變壓器二次側(cè)所需配置的負(fù)載電阻值并計(jì)算所需功率；完成其他設(shè)計(jì)并驗(yàn)算［1，2］。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，該方法僅考慮變壓器自身阻抗中的內(nèi)阻部分（計(jì)入負(fù)載電阻），而忽略其中感抗部分的影響，這是因?yàn)橐话阕儔浩鞯母锌馆^小，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，且其作用是減小電容性電流，忽略該因素只會(huì)增大設(shè)計(jì)的安全裕度。

在上述設(shè)計(jì)方法中，接地故障電流在發(fā)電機(jī)參數(shù)已定的情況下是一個(gè)定值，設(shè)計(jì)中僅作驗(yàn)算，對(duì)于一般中小型發(fā)電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)對(duì)地電容值不大，發(fā)生定子單相接地短路故障電流值一般也不會(huì)太大，不會(huì)構(gòu)成對(duì)機(jī)組的損傷，在這種情況下，采用以上設(shè)計(jì)方法是可行的。

對(duì)于一些大型發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)對(duì)地電容較大，發(fā)生定子單相接地故障時(shí)的電容電流值較大，再加上流經(jīng)接地裝置的電阻性電流，總的接地短路故障電流往往遠(yuǎn)超出允許范圍，如不加限制，則過(guò)大的接地故障電流可能導(dǎo)致定子燒損，甚至?xí)芸鞌U(kuò)展為其他健全繞組相間或匝間短路，因此亟須引起高度重視。

解決大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地方式出現(xiàn)接地故障電流過(guò)大問(wèn)題的一個(gè)有效措施，是在接地裝置中增加適量的電感，以便生成與電容性電流相位相反的電感性電流，對(duì)過(guò)大的故障電容性電流進(jìn)行部分補(bǔ)償，使總的接地故障電流降至允許范圍。

加入電感量的方法可采用電抗器；另一可行方法是將所需阻抗值用于增大配電變壓器的阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)，即直接采用高阻抗變壓器。這2種方法作用等效，后者可以減少電抗器的安裝及維護(hù)工作量，減少運(yùn)行成本［3］，因而更合理。

本文結(jié)合某工程700 MW級(jí)發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地裝置的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹采用高阻抗配電變壓器配置發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置中關(guān)于變壓器阻抗和負(fù)載電阻2個(gè)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)取值方法。

2 中性點(diǎn)接地裝置配置的原理簡(jiǎn)介

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)配置高阻抗配電變壓器接地時(shí)，發(fā)生定子單相接地故障狀態(tài)的簡(jiǎn)化等效電路如圖1。為簡(jiǎn)化討論，簡(jiǎn)化等效電路及以下分析計(jì)算均按接地變壓器一次側(cè)進(jìn)行。

圖1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高阻抗接地方式等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit of the generator neutral grounding w ith high im pedance

圖1 中各電流值與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系如下式：

式中IE為中性點(diǎn)接地故障電流。

IE由IC，IL和IR3部分組合而成，IC在發(fā)電機(jī)參數(shù)已定的情況下是一個(gè)定值，IL和IR是流經(jīng)接地裝置電流的2個(gè)分量，可起到調(diào)節(jié)接地故障IE大小的作用。IL和IR的大小主要由變壓器阻抗和負(fù)載電阻值2個(gè)參數(shù)決定，設(shè)計(jì)時(shí)須進(jìn)行綜合調(diào)整。

根據(jù)中性點(diǎn)接地裝置的配置原則，有關(guān)參數(shù)須滿足以下設(shè)計(jì)條件：

式中：IC0＝（IC－IL）為凈電容性電流（接地故障電流中電容電流）；IElim為接地故障電流限制值（一般為3～25 A，大型機(jī)組不超過(guò)30 A）。

將式（1）代入式（2），可求解得出滿足接地裝置設(shè)計(jì)條件的感抗與負(fù)載電阻這2個(gè)參數(shù)的取值范圍，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步計(jì)算和選定接地變壓器的阻抗電壓百分比及二次負(fù)載電阻器的電阻值。

以上直接求解方法比較繁瑣，且求解結(jié)果還需結(jié)合相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，因此采用先預(yù)選參數(shù)再驗(yàn)算和調(diào)整的設(shè)計(jì)方法更為簡(jiǎn)便，即根據(jù)基本設(shè)計(jì)條件，按照接地裝置的基本配置方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初選出待定參數(shù)，經(jīng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算后，再對(duì)初選參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到滿意結(jié)果。

3 大型發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地裝置設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置的設(shè)計(jì)包括電氣參數(shù)計(jì)算、設(shè)備容量計(jì)算與選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)內(nèi)容，本文簡(jiǎn)要介紹其設(shè)備配置中對(duì)接地變壓器阻抗（uk）和負(fù)載電阻（R）2個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算與取值過(guò)程。

3.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

發(fā)電機(jī)額定值：功率700 MW，電壓U＝20 kV；

發(fā)電機(jī)回路單相對(duì)地電容（含母線及主變低壓繞組）：C＝3.68（μF／?）

發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)三相對(duì)地容抗：XC＝1／（3ωC）＝288.47（Ω）

發(fā)電機(jī)單相接地故障電流（電容性電流）：IC＝

3.2 接地變壓器

型式：環(huán)氧澆注單相銅芯干式變壓器。

額定電壓：一次側(cè)U1n＝20 kV；二次側(cè)0.9 kV。

變壓器容量：S＝125 kVA（取變壓器一次側(cè)電流值等于發(fā)電機(jī)電壓回路的故障電容電流，并考慮變壓器短時(shí)工作過(guò)載能力后而進(jìn)行計(jì)算選定）。

絕緣材料等級(jí)：H級(jí)；

阻抗電壓百分比：uk＝7%（初選）；

負(fù)載損耗：Pk＝2.25 kW；

3.3 負(fù)載電阻

負(fù)載電阻：R＝XC＝288.47（Ω）（負(fù)載電阻為二次側(cè)電阻器電阻與變壓器內(nèi)阻之和歸算至一次側(cè)的電阻值，按發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)三相對(duì)地容抗值初選）。

3.4 計(jì)算分析

圖1中各電流值按初選參數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：

接地故障電流IE超出允許范圍，不符合式（2）設(shè)計(jì)條件要求，需要重新調(diào)整初選參數(shù)。

3.5 參數(shù)調(diào)整與驗(yàn)算

圖2反映在設(shè)計(jì)參數(shù)取值范圍內(nèi)，接地故障電流與變壓器阻抗及負(fù)載電阻間的關(guān)系。

圖2 接地故障電流、變壓器阻抗及負(fù)載電阻間關(guān)系Fig.2 Relationship among the ground-fault current，transformer impedance，and load resistance

從圖2可以看出：接地故障電流隨變壓器阻抗電壓百分比的提高會(huì)明顯下降，其原因就是電感性電流抵消了部分電容性電流；對(duì)應(yīng)同一變壓器阻抗等級(jí)的曲線，接地故障電流會(huì)隨著負(fù)載電阻的減小而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)闇p小電阻降低了接地裝置的總阻抗，使得流經(jīng)接地裝置的電流增大，而電阻的減小又使電感部分所占份額增大，其效果是使接地故障電流呈下降趨勢(shì)。但是負(fù)載電阻也不能過(guò)于減小，否則電阻性電流與電容性電流之比過(guò)大，不符合兩者的最佳綜合效果，導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷容量的無(wú)謂增大。

按照?qǐng)D2曲線變化規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整如下：變壓器阻抗電壓百分比uk從7%升至8%，在負(fù)載電阻不變的情況下接地故障電流仍稍大于30 A，如變壓器阻抗再提高，則增加了變壓器的制造難度和成本，故適當(dāng)減小負(fù)載電阻值，進(jìn)一步下調(diào)接地故障電流。

最終調(diào)整結(jié)果：變壓器阻抗電壓百分比取uk＝8%；負(fù)載電阻值取初選值的95%，即R＝0.95XC＝274.05（Ω）。

驗(yàn)算結(jié)果：

符合式（2）設(shè)計(jì)條件要求，參數(shù)取值合理。

4 結(jié) 論

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力工業(yè)快速發(fā)展，系統(tǒng)裝機(jī)容量不斷增加，大型發(fā)電機(jī)組越來(lái)越多地采用中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地方式。對(duì)于大型發(fā)電機(jī)（尤其是水輪發(fā)電機(jī)），由于定子繞組的對(duì)地電容較大，發(fā)生定子單相接地故障時(shí)的對(duì)地電容性電流較大，因而配置這類(lèi)中性點(diǎn)接地裝置時(shí)，如何將發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地時(shí)的總故障電流限制在合適的范圍之內(nèi)，以避免發(fā)電機(jī)定子受損，成為設(shè)計(jì)需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。

本文介紹的采用高阻抗變壓器作為中性點(diǎn)接地變壓器的配置方法，利用高阻抗變壓器的內(nèi)在電感所生成的電感性電流補(bǔ)償部分中性點(diǎn)故障電容性電流，使發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓和發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地時(shí)的總故障電流均限制在允許范圍內(nèi)，解決了配置大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置中常見(jiàn)的接地故障電流過(guò)大問(wèn)題。該方法已成功應(yīng)用于700 MW級(jí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置設(shè)計(jì)之中。

［1］ 薛紫球.大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置的研制［J］.人民長(zhǎng)江，1995，26（3）：16－21.（XUE Zi-qiu.Development of Neutral Earthing Devices for Large Generators［J］.Yangtze River，1995，26（3）：16－21.（in Chinese））

［2］ 陶亦壽，金 逸，陳渝士，等.天堂抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接地裝置研制［J］.水力發(fā)電，2005，31（12）：65－67.（TAO Yi-shou，JIN Yi，CHEN Yu-shi，et al.Research＆Production of the Generator Neutral Point Earth Device of Tiantang Pump-Storage Power Station［J］.Water Power，2005，31（12）：65－67.（in Chinese））

［3］ 王維儉，桂林，王祥珩，等.大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的反思與憂慮——致各大發(fā)電公司、發(fā)電廠和設(shè)計(jì)院同行［J］.電力設(shè)備，2007，8（11）：1－4.（WANG Wei-jian，GUI Lin，WANG Xiang-heng，et al.Reconsideration and Anxiety of Neutral Grounding Mode for Large Generator［J］.Electrical Equipment，2007，8（11）：1－4.（in Chinese））

［4］ 樂(lè)啟昌，樂(lè)蕭彤.高阻抗變壓器的應(yīng)用［J］.黑龍江電力，2001，23（6）：442－445.（LE Qi-chang，LE Xiaotong.Application of High Impedance Transformer［J］.Heilongjiang Electric Power，2001，23（6）：442－445.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Configuration of Large Generator Neutral Grounding Through High Im pedance Distribution Transformer

CHEN Yu-shi，TAO Yi-shou
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430011，China）

The excessive fault current induced by stator single-phase earth faultand big ground capacitance of stator winding of large generator can be restricted by neutral grounding through distribution transformer.This paper introduces a configuration method of generator neutral grounding device with high impedance distribution transformer.The fault capacitive current is partly compensated by the inductive current generated from the internal reactance of the transformer，and the ground-fault current is limited within an allowable range while the fault transient overvoltage is restrained.

generator neutral；grounding device；high impedance transformer；configuration method

TM31

：A

1001－5485（2011）09－0068－03

2011-06-17

陳渝士（1958-），女，四川通江人，工程師，從事機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與制造工作，（電話）027-82829765－201（電子信箱）chenys417＠sina.com。