水輪發電機中性點接地裝置選型分析

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

大型水輪發電機均設有中性點接地裝置，其主要目的：一是降低定子線圈一點接地故障下的接地故障電流，防止造成定子鐵心的大面積損壞；二是限制故障點暫態過電壓和傳遞過電壓，避免損壞絕緣。根據相關研究結果，要求接地故障電流的阻性分量大于等于容性分量，以保證接地暫態過電壓小于2.6倍的相電勢[1]。中性點接地裝置選型時，一般按該2個電流分量相等進行參數計算。

近年來，隨著水輪發電機容量不斷增加，電壓和回路電容也不斷增大，導致電機電容電流過大，必須依靠中性點接地裝置提供感性電流予以補償以降低接地點故障電流[2]。而部分機組的運行數據和相關的研究結果表明，中性點接地裝置提供補償感性電流之后，會導致正常運行時電機中性點位移電壓出現放大趨勢，放大倍數約等于電容電流與期望的接地點故障電流的比值。雖然中性點位移電壓產生的根源是電機三相回路電容的不平衡，但是追求過小的接地點故障電流會加劇中性點位移電壓放大現象，導致產生較大的中性點位移電壓，甚至超過10%相電勢的標準允許值。

1 中性點接地裝置主要參數計算

1)某大型水輪發電機的參數

發電機額定電壓UN=24 kV；

發電機單相對地電容Cg=3.53 μF；

接地點故障電流Ik=25 A。

2)參數計算

發電機電容電流為

(1)

接地點故障電流為

(2)

中性點接地裝置一次側電流為

(3)

(4)

等效至一次側的中性點接地裝置阻抗為

(5)

接地變壓器容量為

(6)

接地變壓器容量取值為

S=225 kVA

(7)

從上面計算式可以看出，只要發電機基本參數和接地故障電流確定，中性點接地裝置等效至一次側的參數就已經確定了。不同型式的裝置，其參數選擇的區別在于二次側電壓(或接地變壓器變比)的選取以及二次側回路阻抗的實現方式。

2 中性點接地方案

應用于大型水輪發電機的中性點接地方案主要有兩種：高阻抗變壓器方案和并聯電抗方案[1-3]。

1)高阻抗變壓器方案

高阻抗變壓器方案接線原理如圖1所示，中性點經二次側帶負載電阻的接地變壓器接地。當發電機發生單相接地故障時，在定子繞組一點接地繼電保護的配合下瞬時切除故障，防止定子鐵心受損壞。中性點接地裝置包括連接電纜、隔離開關、接地變壓器、負載電阻、電流互感器、柜體、相關附件以及所有必需的內部連接等。中性點裝置的電阻由變壓器自身電阻和外接串聯電阻組成，而電抗由高阻抗變壓器自身提供。

2)并聯電抗方案

并聯電抗方案接線原理如圖2所示。中性點經二次側帶負載電阻和并聯電抗的接地變壓器接地，當發電機發生單相接地故障時，保證在定子繞組一點接地繼電保護的配合下瞬時切除故障，防止定子鐵心受損壞。中性點接地裝置包括連接電纜、隔離開關、接地變壓器、負載電阻、并聯電抗、電流互感器、柜體、相關附件、所有必需的內部連接等。接地變壓器提供部分電阻和電抗，外接的電阻和電抗并聯回路提供剩余部分。

G-發電機；C-單芯電纜；D-隔離開關；T-接地變壓器；CT1、CT2-電流互感器；R-負載電阻圖1 高阻抗變壓器方案

G-發電機；C-單芯電纜；D-隔離開關；T-接地變壓器；CT1、CT 2-電流互感器；R-負載電阻；X-并聯電抗圖2 并聯阻抗變壓器方案

3 兩種方案接地變壓器和二次側元件參數

兩種方案接地變壓器和二次側元件參數及計算見表1。

由表1數據可以看出，兩種方案的接地裝置均能計算得到合適的參數配置，而且等效至一次側的參數完全一致。

表1 兩種方案接地變壓器和二次側參數對比

4 兩種方案參數調節對短路電流和中性點偏移的影響分析

中性點接地裝置參數調節的需求主要基于兩點：

1)回路電容、裝置參數計算值與實際運行值可能存在差異，需要根據實際運行情況對參數進行調整。

2)如果運行過程中發生了較為嚴重的中性點位移現象，可以通過調節裝置參數，降低位移電壓放大倍數，在一定程度上降低中性點位移電壓；反之，如果中性點位移電壓控制效果很好，可以通過調整裝置參數進一步減小接地故障電流。

中性點裝置參數調節需要保證：

1)接地故障電流中的阻性分量大于等于容性分量；

2)接地故障電流不超過25 A。

中性點裝置接入后，中性點位移電壓放大系數計算公式為

(8)

下面按照±15%的調節范圍，對兩種方案參數調節對接地點故障電流、故障電流中阻性與容性成分的比值以及中性點位移電壓放大系數等關鍵參數的影響進行定量分析對比。

4.1 高阻抗變壓器方案參數調節

高阻抗變壓器方案參數調節的計算結果見表2。

表2 高阻抗變壓器方案參數調節計算

從表2數據可以看出，由于受故障電流中阻性與容性分量比值的限制，高阻抗變壓器方案二次側外接電阻僅能朝偏小值調節。調節結果使位移電壓放大系數增加和接地故障電流減小。也就是說，高阻抗變壓器方案僅能實現在中性點位移電壓較小時，以放大位移電壓為代價從而降低接地故障電流。而當中性點位移電壓較大時，并不能通過參數調節達到降低位移電壓的目的，其調節效果是單向的。

4.2 并聯電抗方案參數調節

并聯電抗方案在不同外接電阻和并聯電感參數調節下，計算得到的接地故障電流值見表3，故障電流中阻性與容性分量的比值見表4，位移電壓放大系數見表5。

表3中，灰色底紋區域表示接地故障電流滿足不大于25 A的參數調節范圍，加粗字體區域對應表4中可選但接地故障電流大于25 A的參數調節范圍。

由表4可以得知，由于受故障電流阻性與容性分量比值的限制，外接電阻和并聯電感的調節范圍僅能在表4中的灰色底紋區域選取。

將表3和表4的參數選擇區域整合到表5，并結合位移電壓放大系數結果，可以得出以下結論：

1)當中性點位移電壓較大時，可以通過選擇表5中字體加粗區域的參數配置，以減小中性點位移電壓，但代價是接地故障電流會超過25 A。中性點位移電壓最大可減少13%，此時接地故障電流增大至28.6 A。

2)當中性點位移電壓較小時，可以通過選擇表5灰色底紋區域的參數配置，以提高中性點位移電壓為代價，減小接地故障電流。接地故障電流最小可調節至20.8 A，此時中性點位移電壓增大至19.8%。

因此，并聯電抗方案的參數調節是雙向的，相比高阻抗變壓器方案其現場調節的靈活性更好。

需要說明的是，上述計算僅是針對調節比例在±15%范圍內電阻和電感參數調節的趨勢計算，因受限于元件制造難度，電阻和電感實際的可調節范圍和抽頭數量并不會按表中計算點設計，調度幅度有限。

表3 不同參數下接地故障電流計算結果(并聯電抗方案)

表4 不同參數下故障電流中阻性和容性分量比值(并聯電抗方案)

表5 不同參數下位移電壓放大系數(并聯電抗方案)

從上面計算結果可以看出，當發生嚴重的中性點電壓位移時，通過調節中性點接地裝置的參數以期望減少中性點位移電壓的幅度是有限的，只能作為一種輔助措施。根本的措施還是需要對三相回路電容平衡性進行嚴格限制，或者在回路適當位置通過電容調節來改善三相回路電容的平衡性。

5 結 語

兩種接地方案均能計算得到合適的參數配置，而且等效至一次側的參數完全一致。

案例中，高阻抗變壓器方案僅能實現在中性點位移電壓較小時，以放大位移電壓為代價來降低接地故障電流。而當中性點位移電壓較大時，并不能通過參數調節實現降低位移電壓的目的，其調節效果是單向的。而并聯電抗方案的參數調節是雙向的，相比高阻抗變壓器方案其現場調節的靈活性更好。具體的案例需要具體分析，所提分析方法有助于其他機組的中性點裝置選型。