大容量水輪發(fā)電機中性點接地裝置設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

崔磊　劉亞青　朱釗　梁波

摘要：大容量水輪發(fā)電機中性點接地裝置參數(shù)配置需要考慮接地故障電流、暫態(tài)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(tài)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(tài)分析技術(shù)，計算了不同參數(shù)配置下的接地暫態(tài)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(tài)過電壓研究，明確了大容量水輪發(fā)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(jié)果，推薦采用串聯(lián)方式配置中性點接地裝置。

關(guān)鍵詞：大容量水輪發(fā)電機; 中性點接地裝置; 接地故障電流; 暫態(tài)過電壓

中圖法分類號： TM41

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.017

0引 言

對于大容量水輪發(fā)電機中性點接地裝置參數(shù)的配置，主要是從接地故障電流和暫態(tài)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(chǔ)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(shù)的選擇，實際上是基于接地故障電流、暫態(tài)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(shù)的方法[9-11]。簡單仿照上述3個標(biāo)準中的方法，推算巨型水輪發(fā)電機組參數(shù)，將會給發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行帶來巨大的隱患。

本文將從接地故障電流、暫態(tài)過電壓2個方面，來分析目前大容量水輪發(fā)電機中性點接地裝置設(shè)計的相關(guān)情況，并最終推薦采用串聯(lián)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(fā)電機中性點接地裝置參數(shù)配置的一個主要考慮因素，就是限制發(fā)電機電壓回路及發(fā)電機本體接地故障電流。

大容量水輪發(fā)電機電壓回路接地故障主要發(fā)生在離相封閉母線導(dǎo)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(dǎo)體對外殼放電。該類型故障一般而言不會對設(shè)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(shè)備維護費用。

發(fā)電機本地接地故障主要發(fā)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(fā)生電弧擊穿，形成穩(wěn)定的接地電弧，電弧產(chǎn)生的熱量使定子鐵心升溫發(fā)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(xù)施加熱源，進而導(dǎo)致該點處的溫度升高，同時熱量向周圍傳導(dǎo)。當(dāng)施加的熱源使得定子鐵心局部溫度超過其對應(yīng)的熔點時，發(fā)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(guān)參考文獻的實測數(shù)據(jù)擬合得到[20]，表1為文獻中的實測數(shù)據(jù)。

1.2.2導(dǎo)熱系數(shù)

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(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)是各向異性的。針對圖3所示的疊片結(jié)構(gòu)，Y、Z方向沒有絕緣漆，其導(dǎo)熱系數(shù)相同，由硅鋼片和絕緣漆的熱導(dǎo)并聯(lián)而成，合成導(dǎo)熱系數(shù)的計算見式（3）;X軸方向上有絕緣漆，其導(dǎo)熱系數(shù)為硅鋼片和絕緣漆的串聯(lián)，合成熱導(dǎo)系數(shù)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(shè)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(nèi)部溫度大于1 400 ℃（1 673 K）的區(qū)域，即為定子鐵心的燒蝕情況。如圖5～7所示，當(dāng)電弧功率為1 500 W（對應(yīng)短路電流為27.77 A），電弧持續(xù)時間為0.03 s時，將會在鐵心表面燒出深約0.998 mm的區(qū)域;當(dāng)電弧持續(xù)時間為0.05 s時，鐵心表面燒出的深度為1.24 mm;當(dāng)電弧持續(xù)時間為0.1 s時，鐵心表面燒出的深度為1.46 mm。隨著持續(xù)時間或電弧功率的增大，燒蝕區(qū)域也增大。

基于鐵心不發(fā)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(chǔ)溫度為80 ℃），即硅鋼片未發(fā)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(jié)合圖5，最終確定的不同接地故障電流持續(xù)時間的關(guān)系如圖8所示。

根據(jù)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(fā)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(jié)合對應(yīng)機組的鐵心材料、鐵心結(jié)構(gòu)、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(yīng)的接地故障電流限值。

2接地暫態(tài)過電壓限值

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

采用MATLAB軟件，針對某電站巨型水輪發(fā)電機組在不同接地裝置參數(shù)配置下的接地暫態(tài)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(fā)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(fā)電機組接地裝置的參數(shù)配置有：一種是采用高阻抗變壓器方案，即串聯(lián)方案（見表2）;另外一種為采用接地變壓器二次側(cè)接電抗方案，即并聯(lián)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(jié)合表2和表3中列出的數(shù)值，可總結(jié)出如下規(guī)律：

（1） 針對某一臺機組，采用“電阻+電抗”串聯(lián)聯(lián)接時，隨著R的增大，當(dāng)采用過補償與欠補償方式時，暫態(tài)過電壓值越來越小，而在全補償方式即諧振，暫態(tài)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(tài)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(lián)聯(lián)接時，隨著R的增大，暫態(tài)過電壓值越來越大;隨著脫諧度絕對值的減小，暫態(tài)過電壓幅值越來越小。

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

在計算過程中發(fā)現(xiàn)：采用串聯(lián)方式重燃弧次數(shù)多于并聯(lián)方式，從而導(dǎo)致相同接地故障電流控制指標(biāo)下串聯(lián)方式的過電壓大于并聯(lián)方式。但由于多次重燃弧發(fā)生，且每次發(fā)生均會導(dǎo)致最大過電壓發(fā)生的工況極為罕見。因此，從實際工程應(yīng)用角度來說，串聯(lián)和并聯(lián)諧振并無明顯優(yōu)劣。

同時，考慮到需與二次保護配置相配合，采用串聯(lián)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(lián)方式配置中性點接地裝置。

3結(jié) 論

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

（1） 以保護動作時間為0.10 s考慮，若以硅鋼片不發(fā)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(lián)聯(lián)接時，隨著R的增大，當(dāng)采用過補償與欠補償方式時，暫態(tài)過電壓值越來越小，而在全補償方式即諧振，暫態(tài)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(tài)過電壓幅值越來越小。

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

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

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

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（編輯：趙秋云）