發(fā)電機中性點接地方式的比較分析

張程明

摘要：本文比較了發(fā)電機中性點接地方式，分析了中性點消弧線圈接地方式。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機;中性點;接地

大型發(fā)電機的安全運行與其中性點接地方式有很大關(guān)系，在選擇接地方式時須考慮很多因素，如定子單相接地時故障電流造成鐵心的損害、定子絕緣由于暫態(tài)過電壓和傳遞過電壓而造成的損傷、正常運行時的中性點位移電壓大小以及發(fā)電機中性點接地設(shè)備的設(shè)計制造工藝等。經(jīng)常發(fā)生的暫態(tài)過電壓引起絕緣老化，使得定子接地故障主要發(fā)生在發(fā)電機機端側(cè)，接地故障點可能位于定子繞組的任一位置，有時候甚至?xí)诎l(fā)電機中性點附近發(fā)生接地故障。

1.發(fā)電機中性點接地方式探討

發(fā)電機中性點經(jīng)何種方式接地與發(fā)電機定子單相接地保護的類型有很大關(guān)系，還有接地故障電流的大小和定子繞組過電壓幅值都有很多關(guān)聯(lián)，必須根據(jù)現(xiàn)場的運行經(jīng)驗和理論分析相結(jié)合來討論發(fā)電機中性點接地方式，綜合考慮諸多相關(guān)因素，才能選擇最佳的中性點接地方式。

發(fā)電機中性點接地方式大致分為以下幾種，各有優(yōu)缺點：

1）絕緣或高阻接地，優(yōu)點：接地電流小，一般小于10A，成本小。不足：在間歇性接地故障時，暫態(tài)過電壓高（2.5-3.5）U_ph-E。經(jīng)配電變壓器高阻接地方式可以使接地故障電流比正常電容電流大以上。由于大容量機組的定子繞組單相對地電容很大，尤其是大型的水輪機組，發(fā)電機定子繞組單相對地電容更大。在三峽水輪機組中，發(fā)電機定子三相對地的電容電流就達到T 30A左右，遠遠超過允許值。

2）補償接地或經(jīng)電抗接地，優(yōu)點：故障點接地電流小，一般小于10A，不足：產(chǎn)生暫態(tài)過電壓（<2.5U_ph-E），成本增加。現(xiàn)在發(fā)電機采用的都是大機組，機組越

大，電壓越高，定子繞組對地電容也越大，而定子繞組接地故障的安全電流也隨電壓增高而減少，目前廣泛使用。

3）低阻抗接地，目前主要應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)中的發(fā)電機，優(yōu)點：暫態(tài)過電壓低，能夠為保護裝置提供足夠大的電流判據(jù)，定子接地保護范圍達95%到98%，不足：接地電流大，小于100-400A，但也遠遠超過發(fā)電機的安全接地電流，故障持續(xù)較長時間，對發(fā)電機危害很大，鐵芯的燒毀不能避免，目前很少使用。

根據(jù)國際《（IEEE GUIDE FOR GENERATOR GROUND PI的TECTION》標(biāo)準(zhǔn)，他們推薦大容量發(fā)電機組中性點接地方式主要采用中性點經(jīng)高阻接地（配電變壓器二次側(cè)接小電阻）和消弧線圈（欠補償或諧振）接地方式，上面已經(jīng)提到這兩種接地方式各有優(yōu)缺點，所以有必要對這兩種接地方式存在的問題進一步分析，根據(jù)機組實際情況，選擇合適的接地方式。

2.中性點消弧線圈接地方式的分析

為了補償對地的容性電流，在發(fā)電機中性點采取經(jīng)消弧線圈接地，從而降低接地故障時的短路電流。這種方式對定子鐵芯損害小，可以支持發(fā)電機在故障情況下運行一段時間，提高供電可靠性。

2.1 發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地

假設(shè)A相在距離定子繞組中心點α處發(fā)生金屬性接地故障，如圖2所示，其中表示α中性點到故障點的繞組占全部繞組的百分?jǐn)?shù)，作近似估計時機端各相對地電勢為：

（3）

由相量圖可以求得故障零序電壓為：

（4）

公式（4）表明，零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。當(dāng)α=1時，即電機端接地，故障點的零序電壓_d0α最大，等于額定相電壓。零序等效網(wǎng)絡(luò)中（圖5），C_f為發(fā)電機各相的對地電容，C_w為發(fā)電機外部各元件對地電容，L是代表發(fā)電機中性點消弧線圈的電感。發(fā)電機的正常運行時，經(jīng)消弧線圈接地示意圖為：

當(dāng)中性點不接地時，故障點的接地電流為：

（5）

當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時，故障點的接地電流為：

（6）

由公式（6）可知，經(jīng)消弧線圈接地可以補償故障接地的容性電流。在大型發(fā)電機變壓器組單元接線的情況下，電容為定值，一般采用欠補償運行方式，即補償?shù)母行噪娏餍∮诮拥厝菪噪娏?，這樣有利于減小電力變壓器耦合電容傳遞過來的過電壓。由于欠補償在實際應(yīng)用中使基波零序電壓升高很多，基波零序電壓判據(jù)也要相應(yīng)的根據(jù)補償性質(zhì)改變，從而導(dǎo)致其靈敏度下降，所以實際應(yīng)用中過補償方式應(yīng)用反而更多一些，如丹江口電廠和葛洲壩水電站都是采用的過補償。文獻中指出，發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地方式時采用過補償方案，在發(fā)電機由于異常情況甩負荷時，頻率升高，感抗增大，容抗降低，這種情況下極易出現(xiàn)諧振過電壓。

2.2 發(fā)電機定子接地故障過渡電阻的計算

發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地時，由消弧線圈的二次側(cè)注入20Hz電源簡化等效電路圖，如圖5所示：

由上圖可以計算出定子繞組二次側(cè)對地導(dǎo)納為：

（7）

根據(jù)二次側(cè)對地導(dǎo)納折算到一次側(cè)的接地負載電阻值為：

（8）

公式（8）中n為消弧線圈變比消弧線圈本身就是一種有氣隙的鐵心電抗器，它的電抗值基本是固定不變的，不會隨著電流大小改變而變化，消弧線圈在正常工作時會產(chǎn)生較大的漏磁通，它的電感一般分為激磁電感和漏電感兩部分。根據(jù)計算分析表明，漏感較大，消弧線圈的整個電感值比重最大的就是激磁電感，激磁電感能占到總電感的20%左右，這種情況下就必須把激磁阻抗和漏阻抗分開處理。

3 結(jié)束語

大型機組采用發(fā)變組單元接線較多，理論上三相繞組對地電容是對稱的且大小沒有什么變化，根據(jù)系統(tǒng)的輸配線路不同，這就促使發(fā)電機中性點的接地消弧線圈脫諧度必須越小越好，只有脫諧度小了才能達到安全電流的限制要求，所以消弧線圈重要的選擇就是參數(shù)的選擇，如果參數(shù)選擇不合適，將會造成發(fā)電機絕緣損壞，為發(fā)電機的穩(wěn)定運行帶來危害。發(fā)電機經(jīng)消弧線圈接地時，激磁阻抗和漏阻抗是消弧線圈的兩個重要的參數(shù)，在外加20Hz電源定子接地保護計算過渡電阻時必須要考慮進去，并降低消弧線圈的變比，才能保證過渡電阻的計算精度，從而提高保護的可靠性與靈敏性。

參考文獻

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[2]諶爭鳴.大型發(fā)電機定子接地保護靈敏度分析與整定計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2006（19）：57-60

（作者單位：中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司）