大型抽水蓄能電站中壓廠用電系統(tǒng)接地方式的抉擇

劉長武，劉書玉，張 鑫，殷林鵬，桂 林，王祥珩

（1. 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024；2. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100084）

0 引言

目前我國大型水電站（含抽水蓄能電站）中壓廠用電系統(tǒng)普遍采用中性點(diǎn)不接地方式（國外則還包括經(jīng)電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地等方式）[1-2]，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，廠用電系統(tǒng)一般可以繼續(xù)運(yùn)行2h，保證了供電的可靠性，但由于該接地方式下難以實(shí)現(xiàn)靈敏且有選擇性的接地保護(hù)，可能導(dǎo)致單相接地故障擴(kuò)展為事故。

近年來，大型水電站發(fā)生了數(shù)起由于單相接地故障未及時(shí)處置，進(jìn)而發(fā)展成相間短路，最終導(dǎo)致火災(zāi)的事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因而有必要對中壓廠用電系統(tǒng)接地方式進(jìn)行研究，以期快速且有選擇性地切除故障，消除安全隱患。

1 中壓廠用電系統(tǒng)單相接地故障模型的建立

大型水電站中壓廠用電系統(tǒng)接地方式的抉擇是一個(gè)復(fù)雜的綜合性技術(shù)問題，涉及水電站的安全運(yùn)行、過電壓與絕緣配合、繼電保護(hù)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多專業(yè)領(lǐng)域[3-5]。有必要應(yīng)用PSCAD/EMTDC軟件建立中壓廠用電系統(tǒng)單相接地故障模型，對中壓廠用電系統(tǒng)不接地、經(jīng)電阻接地和經(jīng)消弧線圈接地方式下單相接地故障電流及過電壓倍數(shù)進(jìn)行分析對比，并結(jié)合工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為大型水電站中壓廠用電系統(tǒng)接地方式的抉擇奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6-7]。

根據(jù)某抽水蓄能電站中壓廠用電系統(tǒng)接線圖可得圖1所示10kV系統(tǒng)接線簡圖，利用PSCAD元件庫中已有模型搭建電路并進(jìn)行仿真分析，主要包括以下幾個(gè)模塊：

圖1 某抽蓄電站廠用10kV系統(tǒng)接線簡圖Fig．1 Schematic diagram of 10kV system wiring for a pumped storage power station

1.1 三相電壓源模型

該抽水蓄能電站（4×300MW）廠用中壓系統(tǒng)電源有4個(gè)，分別是1號發(fā)電機(jī)、3號發(fā)電機(jī)、外來電源以及備用柴油發(fā)電機(jī)組。

由于發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)相連，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)作為電源運(yùn)行時(shí)，只帶小部分必要負(fù)載，可認(rèn)為廠用中壓系統(tǒng)與無窮大系統(tǒng)相連，故電壓源設(shè)置為理想電壓源，阻抗設(shè)置為零，模擬無窮大母線。

1.2 三相變壓器模型

變壓器主要包括高壓廠用變壓器和廠內(nèi)配電變壓器。高壓廠用變壓器為星—三角連接，廠內(nèi)配電變壓器為三角—星連接，10kV側(cè)兩端都為三角連接，沒有中性點(diǎn)。

基于經(jīng)典建模方法來模擬三繞組變壓器，等同于3個(gè)以三相形式連接的單相雙繞組變壓器元件，可設(shè)置每側(cè)繞組的連接形式（星型或三角形）。

1.3 電纜模型

廠用電系統(tǒng)電纜長度普遍較短，線路上的壓降可忽略，不用考慮線路的電抗。研究系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式，主要考慮電纜的對地電容。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相的對地電容被短路，電容中無電流流過，非故障相電容電流隨相電壓變化。流過故障點(diǎn)的電流為非故障相總的電容電流之和，和電容的具體分布無關(guān)，因此可采用集中參數(shù)模型來模擬電纜。

1.4 架空線模型

水電站廠用電系統(tǒng)架空線路較少，通常只有從中壓廠用母線到上庫回路使用架空線路輸電，線路較短，可采用集中參數(shù)模型，主要考慮線路對地電容。

1.5 曲折變壓器模型

10kV廠用中壓系統(tǒng)兩端都采用三角連接，無中性點(diǎn)，零序電流無法流通。若要實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地需人為制造出一個(gè)中性點(diǎn)，此時(shí)要用到曲折變壓器。

曲折變壓器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2（a）所示，其一次側(cè)繞組分成兩個(gè)半繞組。高壓側(cè)外加零序電壓時(shí)，高壓繞組中流過三相零序電流。

由于三相零序電流大小相等，相位相同，在每個(gè)半繞組上產(chǎn)生大小相等，方向相反的磁動(dòng)勢，相互抵消。因此，曲折變壓器的特點(diǎn)就是零序阻抗小，正序阻抗大。正常運(yùn)行時(shí)，變壓器阻抗很大，損耗??；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序阻抗小，接地電流可以從變壓器順利流入大地。

由圖2（a）可知，N點(diǎn)為中性點(diǎn)，可設(shè)置中性點(diǎn)經(jīng)電阻或消弧線圈接地，二次側(cè)繞組可以不接入電路。在PSCAD中，并沒有曲折變壓器模型，根據(jù)其內(nèi)部繞組之間的關(guān)系，可利用單相雙繞組變壓器搭建曲折變壓器模型，如圖2（b）所示。

圖2 曲折變壓器的結(jié)構(gòu)原理圖及模型搭建（a） 曲折變壓器結(jié)構(gòu)原理圖；（b） PSCAD中曲折變壓器模型的搭建Fig．2 Zigzag transformer structure and model building（a）Zigzag transformer structure ；（b） Zigzag transformer in PSCAD

1.6 故障模擬和斷路器模型

單相短路故障模型模擬單相接地故障的動(dòng)作，通過給定名稱的輸入信號（Fault）進(jìn)行控制，其控制邏輯為：0=切除故障，1=發(fā)生故障。發(fā)生短路故障時(shí)，若取短路阻值為零，會降低仿真速度，通常取一阻值非常小的電阻來代表短路。同樣，非故障時(shí)，取一很大阻值代表斷路。故障發(fā)生和切除時(shí)間由故障定時(shí)控制邏輯控制，可設(shè)置故障發(fā)生以及切除時(shí)間。

斷路器的基本原理與單相短路故障模型相同，利用大電阻和小電阻來代表斷開和閉合，并由定時(shí)控制邏輯控制開斷時(shí)間。

綜上所述，圖1所示該抽水蓄能電站廠用10kV系統(tǒng)仿真接線圖如圖3所示。根據(jù)運(yùn)行方式的不同，3段母線單獨(dú)運(yùn)行或串聯(lián)運(yùn)行。由于柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電廠只投入少量的負(fù)載，此時(shí)系統(tǒng)電容電流較小，中性點(diǎn)可以不接地。其他3個(gè)電源帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電容電流較大，因此每個(gè)電源都要配置一個(gè)曲折變壓器。不同接地方式下單相接地故障的仿真是在圖1中Ⅰ段母線上進(jìn)行的，其他電源上曲折變壓器不參與仿真過程。

圖3 某抽蓄電站廠用10kV系統(tǒng)仿真接線圖Fig．3 Simulation wiring diagram for a pumped storage power station

仿真輸出波形圖為兩種，相對地電壓波形圖和接地故障電流波形圖。其中相對地電壓為以穩(wěn)態(tài)相電壓峰值作為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值形式，接地故障電流為實(shí)際值。

2 中壓廠用電系統(tǒng)不同接地方式下單相接地故障的仿真分析

2.1 中壓廠用電系統(tǒng)不接地方式

正常運(yùn)行時(shí)圖1中3段高壓母線分別運(yùn)行，母線進(jìn)線斷路器閉合，母線聯(lián)絡(luò)斷路器斷開，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器斷開，全廠共3個(gè)電源同時(shí)供電。設(shè)置故障點(diǎn)為Ⅰ段母線所帶負(fù)載電纜末端，發(fā)生A相金屬性接地故障。

考慮到故障時(shí)間會對沖擊電壓產(chǎn)生影響，分別取故障起始時(shí)間為0.3s和0.325s，故障持續(xù)0.05s，三相對地電壓和A相故障電流波形如圖4和圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，發(fā)生單相接地故障時(shí)，會有一個(gè)很大的沖擊電流，然后穩(wěn)定為正弦基波電流；短路時(shí)刻對穩(wěn)態(tài)基波故障電流的有效值基本沒有影響。

圖1中Ⅰ段母線每相對電容為1.722μF，則故障電流的理論值為：

圖4 故障起始時(shí)間為0．3s時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．4 Initial time of the fault is 0．3s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖5 故障起始時(shí)間為0．325s時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．5 Initial time of the fault is 0．325s（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

與表1中仿真計(jì)算結(jié)果基本相符。

對于非故障相過電壓，在不同時(shí)刻發(fā)生單相接地故障，穩(wěn)態(tài)過電壓倍數(shù)保持一致，與理論值基本相符；沖擊過電壓倍數(shù)有所不同，如表1所示，但均小于理論最高3.5倍過電壓。

表1 中壓廠用電系統(tǒng)不接地方式下故障電流值和過電壓倍數(shù)的仿真分析Tab.1 Fault current and overvoltage of ungrounded mode

2.2 中壓廠用電系統(tǒng)經(jīng)低電阻接地方式

故障前的工況同前，考慮不同接地電阻阻值對接地故障電流和非故障相電壓的不同影響，分別取RN為1、10、57Ω（對應(yīng)的故障電流見表2），對應(yīng)的仿真波形如圖6～圖8所示。

從相電壓波形圖[圖6（a）～圖8（a）]可以看出，與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)系相比，非故障相穩(wěn)態(tài)過電壓倍數(shù)并沒有明顯降低，但是沖擊過電壓倍數(shù)明顯減小，沒有出現(xiàn)明顯的沖擊過電壓，且很快達(dá)到穩(wěn)定。這是因?yàn)橹行渣c(diǎn)經(jīng)電阻接地，形成零序通路，電荷可以很快地釋放，而不會積累形成過電壓。

對于非故障相過電壓，B相和C相過電壓倍數(shù)是不同的。當(dāng)RN較小時(shí)，B相電壓降低，C相電壓上升；隨著RN的增大，B相過電壓倍數(shù)逐漸增大，C相過電壓倍數(shù)先增大后減小，仿真過電壓倍數(shù)變化趨勢和理論分析一致（見圖9）。非故障相過電壓倍數(shù)最大為1.86倍，小于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)沖擊過電壓倍數(shù)2.30倍。

圖6 接地電阻RN為1Ω時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．6 Grounding resistance RN=1Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖7 接地電阻RN為10Ω時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．7 Grounding resistance RN=10Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖8 接地電阻RN為57Ω時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．8 Grounding resistance RN=57Ω（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

對于接地故障電流，因?yàn)閱蜗嘟饘傩越拥刂行渣c(diǎn)會發(fā)生偏移，偏移電壓有效值等于相電壓的有效值，即為5774V，接地故障電流為流經(jīng)電阻的電流與電容電流的矢量和，相對于電阻電流，電容電流很小，可忽略，因此理論故障電流可直接計(jì)算得到，為相電壓與接地電阻的比值，如表2所示。

表2 經(jīng)不同電阻值接地方式下故障電流值和過電壓倍數(shù)的仿真分析Tab.2 Fault current and overvoltage of resistance grounding mode

圖9 低電阻接地方式下A相接地故障時(shí)非故障相電壓變化矢量圖Fig．9 Non fault phase voltage variation of low resistance grounding mode of phase A to ground fault

可以看出，仿真所得故障電流總是小于理論故障電流，特別是接地電阻越小時(shí)，與理論值相差越大。這是因?yàn)?，?shí)際電路中，曲折變壓器的零序阻抗不可能為零，線路的阻抗很小但是依舊存在，相當(dāng)于存在一個(gè)數(shù)值很小的零序阻抗與接地電阻串聯(lián)，因此流經(jīng)電阻的電流會減小。特別是接地電阻阻值越小時(shí)，線路電抗和曲折變壓器的零序阻抗不能忽略，實(shí)際電流會比理論電流小很多?？傮w來說，仿真結(jié)果與理論分析基本保持一致，說明仿真模型能較準(zhǔn)確地反映實(shí)際電路。

2.3 中壓廠用電系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地方式

故障前的工況同前，已知圖1中Ⅰ段母線每相對地電容為1.722μF，若要使消弧線圈電感電流完全補(bǔ)償故障電容電流，則消弧線圈電感值L=1.96H；考慮到消弧線圈存在損耗電阻，取品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/rL≈20，則損耗電阻阻值可取rL=30Ω。

為比較補(bǔ)償程度不同對系統(tǒng)故障電流以及非故障相電壓的影響，分別取消弧線圈電感值為0.9L、L、1.1L進(jìn)行仿真。

表3 經(jīng)消弧線圈接地不同補(bǔ)償程度下故障電流值和過電壓倍數(shù)的仿真分析Tab.3 Fault current and overvoltage of arc suppression coil grounding mode

由上述仿真結(jié)果可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式顯著地減小了故障電流（由未補(bǔ)償時(shí)的9.26A下降到1A左右），防止電弧的重燃。由圖10～圖12故障電流波形圖可以看出，故障電流含有一個(gè)衰減的直流分量，這是由RLC電路的初始狀態(tài)引入的，隨著直流分量衰減為零，故障電流只含基波分量。

非故障相過電壓倍數(shù)和消弧線圈補(bǔ)償程度無關(guān)，穩(wěn)定在1.70倍（變?yōu)榫€電壓），沖擊過電壓倍數(shù)最高為2.37倍。由圖10～圖12相電壓波形圖可以看出，故障結(jié)束時(shí)，由于消弧線圈的緩沖作用，故障相電壓逐漸上升，延緩了故障相電壓恢復(fù)速度，有利于防止電弧的重燃。

對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，故障切除后，由于RLC電路中儲存一定的能量，中性點(diǎn)的電壓會出現(xiàn)振蕩衰減現(xiàn)象，故障相對地電壓為穩(wěn)態(tài)相電壓與中性點(diǎn)振蕩電壓之差，因此，故障相電壓的恢復(fù)也是一個(gè)振蕩過程。當(dāng)系統(tǒng)處于全補(bǔ)償（見圖11）狀態(tài)時(shí)，故障相電壓逐漸恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)相電壓，恢復(fù)電壓的最大值不超過相電壓的幅值，且恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長；當(dāng)系統(tǒng)處于欠補(bǔ)償（見圖10）或過補(bǔ)償（見圖12）狀態(tài)時(shí)，故障相電壓恢復(fù)過程會出現(xiàn)“拍頻”現(xiàn)象，此時(shí)恢復(fù)電壓的最大值有可能超過相電壓幅值，且恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較短。

圖10 消弧線圈電感值為0．9L時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．10 Arc suppression coil is 0．9L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

圖11 消弧線圈電感值為L時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．11 Arc suppression coil is L（a） Three-phase voltage to ground ；（b） Fault current

圖12 消弧線圈電感值為1．1L時(shí)的仿真波形（a）三相對地電壓；（b）故障電流Fig．12 Arc suppression coil is 1．1L（a）Three-phase voltage to ground ；（b）Fault current

當(dāng)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)電阻接地時(shí)，故障切除后，故障相對地電壓的恢復(fù)過程是有所不同的，前者類似于電容充放電的過程（過渡過程比較明顯，見圖4和圖5），后者則是接地電阻越小，電容電荷在接地電阻上釋放越快，沒有明顯的過渡過程，見圖6～圖8。

3 結(jié)束語

大型水電站特別是抽水蓄能電站廠用電系統(tǒng)有著自身的特點(diǎn)，其高壓廠用變壓器數(shù)量及容量均有備用，主流設(shè)計(jì)是單臺高壓廠用變壓器可以帶全廠負(fù)荷運(yùn)行，重要負(fù)荷的配電變壓器一般均有備用或者采用雙電源供電，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可迅速切除故障，利用備自投實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)切換，因而廠用電系統(tǒng)沒有帶接地故障運(yùn)行的必要性。

且電纜為非自恢復(fù)絕緣，發(fā)生單相接地故障一般來說均為永久性故障，若繼續(xù)運(yùn)行，故障處絕緣會被迅速燒壞，以致發(fā)展成為相間故障，必須迅速切斷電源，避免事故擴(kuò)大，即便采用消弧線圈，也只是一定程度上降低了接地故障電流，很難及時(shí)排除故障，在以電纜為主的廠用電系統(tǒng)中不能有效發(fā)揮作用[6]。

而低電阻接地可以使接地故障的檢測手段大為簡單、可靠，準(zhǔn)確快速切除故障，同時(shí)也可降低過電壓水平（如前所述），減小單相接地發(fā)展成相間短路的概率，防止事故擴(kuò)大[8]。

綜上所述，大型水電站（含抽水蓄能電站）中壓廠用電系統(tǒng)，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于7A時(shí)，可采用不接地方式，保護(hù)動(dòng)作于信號（需要現(xiàn)場人工即時(shí)干預(yù)）；當(dāng)單相接地故障電容電流大于7A時(shí)，宜采用中性點(diǎn)低電阻接地方式，保護(hù)動(dòng)作于跳閘。

鑒于大型水電站（含抽水蓄能電站）的運(yùn)行逐步向無人值班過渡，遇有故障應(yīng)能自動(dòng)處理，不需要現(xiàn)場人工即時(shí)干預(yù)，本著“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計(jì)原則[9]，進(jìn)一步建議中壓廠用電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用經(jīng)低電阻接地方式，兼顧保護(hù)的選擇性和靈敏度的要求，以確保大型水電站（含抽水蓄能電站）的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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