三峽發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及接地裝置選型

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三峽左岸電站的14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)分別由 ABB和阿斯通、西門子和通用電氣加拿大公司兩方提供，在所投報(bào)的發(fā)電機(jī)技術(shù)投標(biāo)方案中，對(duì)于發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式均采用了通過(guò)單相接地變壓器接地的方式，沒(méi)有采用國(guó)內(nèi)通常采用的經(jīng)消弧線圈接地方式。為此。有必要對(duì)三峽電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器接地的方式進(jìn)一步探討，對(duì)接地變壓器的主要參數(shù)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，對(duì)發(fā)電中性接地方式與發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)的配合問(wèn)題進(jìn)行分析。

    1、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇     三峽左岸電站機(jī)組的招標(biāo)文件中對(duì)于發(fā)電機(jī)中性接地方式?jīng)]作硬性要求，賣方可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)推薦采用接地變壓器接地方式或消弧線圈接地方式，但要求接地方式的選擇應(yīng)和發(fā)電機(jī)的100%范圍定子一點(diǎn)接地保護(hù)相關(guān)聯(lián)，以保證當(dāng)發(fā)電機(jī)一次測(cè)系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，在發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)配合下，能夠以盡可能短的時(shí)間切除接地故障，防止發(fā)電機(jī)定子鐵芯和定子繞組受損。     1.1 發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值     發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，接地故障電流的大小主要取決于定子繞組每相對(duì)地電容值的大小及接地點(diǎn)的位置。ABB公司設(shè)計(jì)的三峽電站發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值為1.81μf，西門子公司和加拿大 GE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值為1.4μf，因此可在此基礎(chǔ)上對(duì)三峽電站發(fā)電機(jī)繞組一點(diǎn)接地故障電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下(以ABB的發(fā)電機(jī)為例)：     發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值Cw＝1.81μf     發(fā)電機(jī)出口至升壓主變低壓繞組間每相對(duì)地等值電容Ct＝0.2μf(經(jīng)驗(yàn)值)     總的每相對(duì)地電容值C0=Cw+Ct=2.01μf     從發(fā)電機(jī)端看人的每相對(duì)地等值容抗：      X_c0＝1/wC₀=1/2πfC₀=1/314×2.01×10^-6=1.584.4(Ω/相)     從發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)看入的對(duì)地容抗：     X_cn＝X_c0/3＝528(Ω/相)     三峽機(jī)組在發(fā)電機(jī)端發(fā)生定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值為(取發(fā)電機(jī)額定電壓為U_e＝20kV)：     J₀=U_e/(3X_cn^1/2)＝20000/(3^1/2×528)＝21.86A     同理可求得西門子公司和加拿大GE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)(定子繞組單相對(duì)地電容值為1.4μf)發(fā)生機(jī)端
定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值為17.4A。     根據(jù)上面計(jì)算的結(jié)果，三峽機(jī)組在機(jī)端發(fā)生定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流已遠(yuǎn)超過(guò)了有關(guān)規(guī)程規(guī)
定的允許值，因而須按照 ANSI/IEEE C37.101“發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則”的要求在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與地之間接
入接地變壓器或消弧線圈來(lái)限制定子一點(diǎn)接地時(shí)的故障電流并在發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置的配合下快速切除接地故障，以防止發(fā)電機(jī)定子鐵芯燒損。     1.2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇     三峽電站水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇主要依據(jù)以下兩點(diǎn):     根據(jù) IEEE有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推薦。對(duì)于三峽電站這種定子繞組對(duì)地電容比較大的發(fā)電機(jī)所適用的中性點(diǎn)接地方式應(yīng)保證發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)中性點(diǎn)的暫態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)分許值且與最大接地故障電流的時(shí)間特性相適應(yīng)。根據(jù)這一原則進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算的結(jié)果表明，對(duì)于三峽發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器的高電阻接地方式是合適的。     中標(biāo)廠商在其大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式方面的經(jīng)驗(yàn)。ABB、加拿大GE和西門子公司都有過(guò)制造與三峽機(jī)組相近容量水輪發(fā)電機(jī)的良好業(yè)績(jī)，在這幾家公司及西方其他水輪發(fā)電機(jī)制造廠商所生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)中，基本上都采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器接地的方式，運(yùn)行情況良好。     1.3 中性點(diǎn)接地電阻值的選取     根據(jù)理論分析計(jì)算，當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻值等于或近似于從發(fā)電星形中性點(diǎn)看入的對(duì)地容抗值時(shí)，限制定子一點(diǎn)接地故障時(shí)的定子繞組弧光暫態(tài)過(guò)電壓和接地電流的綜合性能較好。當(dāng)然由于發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容值的測(cè)量及計(jì)算會(huì)有誤差，因此在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)于限制接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過(guò)電壓和接地故障電流有最佳效果的中性點(diǎn)接地電阻值還需由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)決定。表 1是在幾種大型水輪發(fā)電機(jī)定子織組對(duì)地電容值下當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)選取不同阻值的接地電阻時(shí)發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障的發(fā)電機(jī)定子繞組弧光暫態(tài)過(guò)電壓的關(guān)系。 附表

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  對(duì)比方案 1 2 3

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  接地電流最大 中性點(diǎn)接地電 X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過(guò) X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過(guò) X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過(guò) 值I_Emax(A) 阻R_n(Ω) 電壓倍數(shù) 電壓倍數(shù) 電壓倍數(shù) 5 2310 0.25 3.5 0.13 4.0 0.14 3.9 10 1155 0.5 3.0 0.25 3.5 0.28 3.4 15 770 0.76 2.7 0.38 3.2 0.42 3.2 20 577 0.98 2.5 0.51 3.0 0.55 2.9 25 462 1.27 2.4 0.64 2.8 0.69 2.7 30 385 1.52 2.35 0.76 2.7 0.83 2.6

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  定子繞組每相對(duì)地電容C_w 1.8μf 3.6μf 3.22μf 中性點(diǎn)對(duì)地等值容抗X_cn(Ω) 587 294.5 320

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      圖1是附表中方案1對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線(對(duì)應(yīng)于定子繞組相對(duì)地電容值為1.81μf的情況)。由附表及圖1中可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻R_n值并不是越大越好，當(dāng)R_n值過(guò)大時(shí)和定子一點(diǎn)接地故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較高的弧光暫態(tài)過(guò)電壓，這將對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣造成威脅。隨著發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻R_n值的減小，發(fā)生接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)將下降，但當(dāng)R_n減小至低于X_cn的值后發(fā)生接地故障時(shí)，弧光暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)的下降將變得十分緩慢；相反地由于中性點(diǎn)接地電阻值的過(guò)小將不可能將接地故障電流限制在允許的范圍內(nèi)，這樣接地電流將會(huì)燒損發(fā)電機(jī)定子鐵芯。     但實(shí)際應(yīng)用中，接地電阻的大小還應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組的電氣絕緣水平來(lái)確定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子繞組電氣絕緣強(qiáng)度有較高的安全系數(shù)且中性點(diǎn)接入接地電阻后發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過(guò)電壓不會(huì)造成定子繞組絕緣損壞時(shí)，則接地電阻值的選取則主要從減小接地故障電流值為出發(fā)點(diǎn)，即接地電阻值可以選到圖1中橫坐標(biāo)的0.5以下區(qū)域。     2、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的選型計(jì)算 圖1 附表中方案1的圖示         在發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)接入接地變壓器不僅是滿足限制接地故障電流和弧光暫態(tài)過(guò)電壓的要求，而且還要滿足與定子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置相配合的要求，因?yàn)槎ㄗ右稽c(diǎn)接地故障最終要靠定子一點(diǎn)接地保護(hù)的正確動(dòng)作來(lái)切除。下面就ABB公司的投標(biāo)方案進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。定子一點(diǎn)接地保護(hù)與接地變壓器的連接方式如圖2所示。ABB公司所采用的100%定子接地故障保護(hù)(64S)需要一個(gè)向接地故障點(diǎn)注入低頻低壓監(jiān)測(cè)信號(hào)的REX010型裝置和 REX011型裝置，其與接地變壓器的連接地方式如圖2所示。圖2中，由線圈N1和N2組成的接地變本體及接地變副邊電阻(R_es十R_ps)為接地變壓器的供貨范圍，其余為定子一點(diǎn)接地保護(hù)的供貨范圍。考慮到與定子接地故障保護(hù)配合后接地變壓器選型計(jì)算過(guò)程如下： 圖2 接地保護(hù)與接地變的連接       計(jì)算用的基本數(shù)據(jù)：     發(fā)電機(jī)額定電壓U_gen=20kV，接地變?cè)咁~定電壓U_le＝20/3^1/2kV，接地變副邊額定電壓U_le＝100V，則接地變的變比為：     N₁/N₂=20kV/(3^1/2×100V)＝115.5     2.1 滿足限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)最大接地故障電流的需要     根據(jù) IEEE“發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則”的規(guī)定，接地變壓器的副邊電阻R_ES和R_PS應(yīng)限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)的最大接地故障電流I_emax不超過(guò)20A，故接地變副邊的總電阻應(yīng)為：     R_ES+R_PS≥U_gen/3^1/2×I_emax×(N₂/N₁)²     代入所給數(shù)據(jù)求得：R_ES十R_PS≥0.0433Ω     2.2 滿足與定子接地保護(hù)裝盲動(dòng)作值整定配合的需要     條件一：130Ω×(N₂/N₁)²≤R_PS≤500Ω×(N₂/N₁)²     條件二：R_ES≥4.5R_ps     條件三：0.7kΩ×(N₂/N₁)²≤R_ES≤5kΩ×(N₂/N₁)²     按照我國(guó)繼電保護(hù)配置規(guī)程的規(guī)定，對(duì)于三峽這樣的大型水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)單相接地故障電流達(dá)到Iemax＝5A時(shí)，定子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳閘，依據(jù)這一原則求得的接地變副邊電阻為：R_ES十R_ps≥U_gen/3^1/2×I_emax×(N₂/N₁)²＝20×10³/3^1/2×5×(115.5)²＝0.173Ω     滿足條件一、二的R_ps值為R_ps≤0.0314Ω，取R_ps=0.03Ω，則：     R_ES=0.173一R_ES=0.173-0.03=0.143Ω     滿足條件三的RES值為：0.0525Ω≤R_ES≤0.375Ω     可見(jiàn)所求得的R_ES=0.143Ω是滿足該要求的。     2.3 滿足接地變壓器額定參數(shù)的需要     在所選定的接地變壓器副邊電阻R_ES十R_ps=0.173Ω下，發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)流經(jīng)接地變的最大故障電流為(在機(jī)端發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)出現(xiàn))：     I_E=U_gen/3^1/2(R_ES+R_PS)×(N₂/N₁)22×10³/3^1/2×0.173×(1/115.5)²=5A     考慮1.1倍裕度時(shí)的接地變壓器的容量：     P_T=U_le×I_E×1.1＝(10/3^1/2)×5×1.1＝63.5kvA     接地變壓器副邊電流：     I₂＝I_E×(N₁/N₂)＝5×115.5＝577.5A     2.4 接地變壓器的計(jì)算參數(shù)與中標(biāo)廠商投標(biāo)參數(shù)的對(duì)照     ABB公司在其中標(biāo)方案中所提供的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器主要參數(shù)應(yīng)為：     額定電壓比(20000/3^1/2)/100 額定容量：P_T＝64kvA     接地電阻：R_ES十R_PS=0.173Ω     接地變?cè)咁~定電流：I_e.1＝5A     完全符合以上的計(jì)算的結(jié)果。     3、對(duì)接地電阻選值合理性的分析     從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，接地變壓器副邊電阻(R_ES十R_ps)的值為0.173Ω，此電阻折算至接地變?cè)叺陌l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)等值電阻為R_n＝2307.8Ω，則X_cn/R_n＝0.23，此值對(duì)應(yīng)與圖1上的暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)為3.5倍左右，也就是說(shuō)由于接入這一接地電阻當(dāng)發(fā)生定子接地故障時(shí)最高會(huì)產(chǎn)生3.5U_gen的弧光暫態(tài)過(guò)電壓。但根據(jù)ABB公司的發(fā)電機(jī)中標(biāo)方案，其定子繞組的絕緣電氣強(qiáng)度有比較高的安全系數(shù)，發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣的擊穿電壓達(dá)到130kV，可承受6.5U_gen的交流電壓持續(xù)1分鐘以上，這一擊穿電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)生接地故障時(shí)可能產(chǎn)生的最高弧光暫態(tài)過(guò)電壓，因而當(dāng)發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)所產(chǎn)生的弧光暫態(tài)過(guò)電壓不會(huì)損壞定子繞組絕緣。在此基礎(chǔ)上，選擇較大的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻值有利于限制接地故障電流及有利于發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)裝置的配合，因此這一接地電阻值的選擇是合理的。