清遠抽水蓄能電站發電機高阻接地設備參數校驗

陳 涵

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣州 510635)

清遠抽水蓄能電站發電機高阻接地設備參數校驗

陳 涵

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院，廣州 510635)

清遠抽水蓄能電站發電電動機中性點采用高阻接地方式。相較中性點不接地方式和經過消弧線圈接地方式來說，中性點經過高阻接地方式具有更大的單相接地短路電流。因此，采用中性點經過高阻接地方式的機組，發生單相接地短路時，不再允許帶故障運行，接地保護必須動作于發電電動機故障跳閘。文章對清遠抽水蓄能電站發電電動機中性點接地設備參數進行校驗。

抽水蓄能電站；發電機；高阻接地設備；參數校驗

1 概 述

廣東清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市的清新縣太平鎮境內，地理位置處于珠江三角洲西北部，直線距廣州75km，距清遠市32km，是一座日調節的純抽水蓄能電站。廠內安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機—發電電動機機組，單機容量(發電工況)320MW，總裝機容量1280MW。地面中控樓，布置在洞外。電站水輪發電機由東芝水電設備(杭州)有限公司生產并供貨，發電機中性點接地采用經過接地變壓器高阻接地方式。

2 發電機中性點接地方式

根據系統容量的不同、主接線形式的不同、電站裝機容量的不同、機組單機容量的不同，以及不同系統對不同發電機的不同的運行習慣和要求，各電站的發電機的中性點的接地方式不盡相同。目前國內主流電站的中性點接地方式主要有中性點不接地方式、中性點直接接地方式、中性點經過消弧線圈接地方式、中性點經低電阻接地方式、中性點經高電阻接地方式、中性點經電抗器接地方式等。

2.1 中性點不接地方式

中性點不接地方式是最簡單的機組中性點接地方式，這種方式可以省去發電機中性點接地設備，具有一定的經濟性。

采用中性點不接地方式時，發電機出口發生定子單相接地故障時，故障電流的分布情況見圖1。

圖1 故障電流的分布情況

當發電機正常運行時，三相電容電流互相平衡，發電機中性點沒有電容電流流過。

2.2 中性點直接接地方式

中性點直接接地系統又稱為大接地電流系統，如圖2所示。

在這種方式下，因為中性點直接接地，因此可以很有效的防止中性點過電壓的問題。但當中性點直接接地系統發生單相接地短路時，會形成單相短路，從而產生很大的故障電流，甚至會大大超過三相金屬性短路的故障電流的數值，因此一般只有單機容量為幾百千瓦，機端電壓為0.4kV的發電機組會采用這種方式[2]。

圖2 大接地電流系統

2.3 中性點經消弧線圈接地方式

中性點經過消弧線圈接地方式是目前國內機組比較普遍的接地方式。這種方式在發電機中性點串入感性阻抗，用于和發電機及其連接母線中的電容發生并聯諧振[3]。

當中性點經消弧線圈接地的發電機發生單相接地故障時，發電機及其連接母線對地電容、發電機中性點接地消弧線圈感性阻抗、發電機中性電消弧線圈電阻形成并聯回路，其等效電路圖見圖3。

圖3 等效電路圖

其中R為消弧線圈的電阻。

理論上，在消弧線圈性能參數與系統電容匹配的情況下，電感電流能夠很好的補償接地電容電流，使接地電流接近于零，從而保護發電機定子繞組。

2.4 中性點高阻接地方式

發電機中性點經高阻接地方式是近年來大中型水輪機組和抽水蓄能電站廣泛采用的中性點接地方式。這種接地方式主要由兩種類型，一種是通過中性點串聯數值為上百歐至幾千歐的高電阻接地；另一種采用中性點串聯配電變壓器二次側連接電阻接地。[5]清遠抽水蓄能電站發電電動機組采用中性點經過接地變壓器二次線圈帶電阻的高阻接地方式，如圖4所示。

圖4 高阻接地方式

值得一提的是，抽水蓄能電站在背靠背啟動運行模式下，如果兩臺機組同時高阻接地，如圖5所示。

則在機組正常運行時，機組的不平衡電流將反應到機組中性點上，過大的不平衡電流將對定子繞組造成損傷，并可能造成95%定子繞組單相接地保護和100%定子繞組接地保護誤動作；如果在這個時候發生單相接地短路故障，則拖動機和起動機的中性點電位同時發生偏移，那么流過接地故障點的電流將是2臺機組的電容電流和接地電阻電流之和，將大大超出單機運行時的故障電流，造成定子繞組損傷。因此在背靠背啟動模式下，一般選擇斷開拖動機組的接地隔離開關，以限制接地短路故障電流，并防止保護誤動作。

圖5 兩臺機組同時高阻接地

3 中性點高阻接地設備校驗

根據IEEE標準發電電動機接地保護的章節的描述，為了限制發電電動機在單相接地短路故障情況下的機械應力和故障電流對定子繞組造成的損傷，單相接地故障電流一般控制在3A到25A之間，以下針對這個原則對清遠抽水蓄能電站發電電動機中性點接地設備參數進行校驗。

3.1 接地變壓器

根據IEEE標準StdC37.102-2006，接地變壓器一次側電壓可等于或大于發電電動機額定相電壓。清蓄發電電動機中性點接地變壓器一次側電壓采用發電電動機額定相電壓，即UNP=15.75kV。二次側電壓采用500V,即UNS=500V。

3.2 接地電阻

一般認為，當作用于發電電動機的過電壓不宜超過2.6倍的額定相電壓時，機組是安全的。而通過理論計算及仿真分析，當中性點接地設備吸收的有功功率大于或者等于對地電容消耗的功率時，發電機弧光過電壓及發電機故障甩負荷過電壓不會超過發電電動機額定相電壓的2.6倍，也就是在安全范圍內。

于是有以下公式：

(1)

RNP為接地電阻反應到接地變壓器一次側的電阻值；

RT為接地變壓器的電阻，RT≤10%RNP；

XT為接地變壓器的交聯電抗，XT≤25%RNP。

Co為15.75kV系統的每相的對地電容：其中發電電動機相對地電容Cogen=0.85uF；主變15.75kV側線圈對地電容Cotfo1=0.0125uF；15.75kV母線接地電容CoIpb=0.0039uF，廠用變壓器及勵磁變壓器15.75kV側的電容Cotfo2=0.01uF+0.01uF=20nF；機組斷路器Cobreaker=0.13uF。

于是當機組正常運行時，有：

Co=Cogen+Cotfo1+Coipb+Cotfo2+Cobreaker+CoIpb=1.05uF。

機組同期以前，有：

Co=Cogen+Cobreaker=1.03uF。

背靠背啟動時，有：

Co=2Cogen+Cobreaker+Cotfo1+Cotfo2=1.84uF。

根據(式1)，有：

XT≤25%RNP=118.2Ω。

發電機發生最大單相接地短路時，故障電流為：

其中，Z1、Z2可忽略，

因此要將故障電流控制在25A以下，則：

Z0≥1146Ω。

RNP≥413.5Ω。

因此接地電阻反應到接地變壓器一次側的電阻值RNP應符合：

498.4Ω≥RNP≥413.5Ω。

則接地變壓器二次側允許的最大阻值為：

接地變壓器二次側允許的最小阻值為：

4 結 論

[1]張琦雪，王維儉，王祥珩．三峽大型發電機中性點接地電阻的合理選擇[J]．繼電器，2005，33(15)：5-8．

[2]吳聚業．600Mw發電機中性點接地變壓器參數分析[J]．電力設備，2005，6(04)：34-37．

[3]殷建剛，蔡敏，彭豐，等．發電機中性點經配電變壓器接地的配置方法[J]．湖北電力.2002，26(03)：28-30.

1007-7596(2017)06-0104-03

2017-05-20

陳涵(1985-)，男，浙江浦江人，工程師。

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