三峽發(fā)電機中性點接地方式及接地裝置選型

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三峽左岸電站的14臺水輪發(fā)電機分別由 ABB和阿斯通、西門子和通用電氣加拿大公司兩方提供，在所投報的發(fā)電機技術投標方案中，對于發(fā)電機的中性點接地方式均采用了通過單相接地變壓器接地的方式，沒有采用國內通常采用的經消弧線圈接地方式。為此。有必要對三峽電站發(fā)電機中性點采用經接地變壓器接地的方式進一步探討，對接地變壓器的主要參數(shù)進行復核計算，對發(fā)電中性接地方式與發(fā)電機定子一點接地保護的配合問題進行分析。

    1、發(fā)電機中性點接地方式的選擇     三峽左岸電站機組的招標文件中對于發(fā)電機中性接地方式沒作硬性要求，賣方可根據自己的經驗和業(yè)績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和發(fā)電機的100%范圍定子一點接地保護相關聯(lián)，以保證當發(fā)電機一次測系統(tǒng)發(fā)生一點接地故障時，在發(fā)電機定子一點接地保護配合下，能夠以盡可能短的時間切除接地故障，防止發(fā)電機定子鐵芯和定子繞組受損。     1.1 發(fā)電機定子繞組發(fā)生一點接地故障時的故障電流值     發(fā)電機定子繞組發(fā)生一點接地故障時，接地故障電流的大小主要取決于定子繞組每相對地電容值的大小及接地點的位置。ABB公司設計的三峽電站發(fā)電機定子繞組單相對地電容值為1.81μf，西門子公司和加拿大 GE公司聯(lián)合設計的發(fā)電機定子繞組單相對地電容值為1.4μf，因此可在此基礎上對三峽電站發(fā)電機繞組一點接地故障電流進行計算，計算過程如下(以ABB的發(fā)電機為例)：     發(fā)電機定子繞組單相對地電容值Cw＝1.81μf     發(fā)電機出口至升壓主變低壓繞組間每相對地等值電容Ct＝0.2μf(經驗值)     總的每相對地電容值C0=Cw+Ct=2.01μf     從發(fā)電機端看人的每相對地等值容抗：      X_c0＝1/wC₀=1/2πfC₀=1/314×2.01×10^-6=1.584.4(Ω/相)     從發(fā)電機星形中性點看入的對地容抗：     X_cn＝X_c0/3＝528(Ω/相)     三峽機組在發(fā)電機端發(fā)生定子繞組一點接地故障時的故障電流值為(取發(fā)電機額定電壓為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)合設計的發(fā)電機(定子繞組單相對地電容值為1.4μf)發(fā)生機端
定子繞組一點接地故障時的故障電流值為17.4A。     根據上面計算的結果，三峽機組在機端發(fā)生定子繞組一點接地故障時的故障電流已遠超過了有關規(guī)程規(guī)
定的允許值，因而須按照 ANSI/IEEE C37.101“發(fā)電機接地保護導則”的要求在發(fā)電機中性點與地之間接
入接地變壓器或消弧線圈來限制定子一點接地時的故障電流并在發(fā)電機定子一點接地保護裝置的配合下快速切除接地故障，以防止發(fā)電機定子鐵芯燒損。     1.2 發(fā)電機中性點接地方式的選擇     三峽電站水輪發(fā)電機中性點接地方式的選擇主要依據以下兩點:     根據 IEEE有關標準的推薦。對于三峽電站這種定子繞組對地電容比較大的發(fā)電機所適用的中性點接地方式應保證發(fā)生定子一點接地故障時中性點的暫態(tài)過電壓不超過分許值且與最大接地故障電流的時間特性相適應。根據這一原則進行相應分析計算的結果表明，對于三峽發(fā)電機的中性點采用經接地變壓器的高電阻接地方式是合適的。     中標廠商在其大型水輪發(fā)電機中性點接地方式方面的經驗。ABB、加拿大GE和西門子公司都有過制造與三峽機組相近容量水輪發(fā)電機的良好業(yè)績，在這幾家公司及西方其他水輪發(fā)電機制造廠商所生產的大型水輪發(fā)電機中，基本上都采用發(fā)電機中性點接地變壓器接地的方式，運行情況良好。     1.3 中性點接地電阻值的選取     根據理論分析計算，當發(fā)電機中性點接地電阻值等于或近似于從發(fā)電星形中性點看入的對地容抗值時，限制定子一點接地故障時的定子繞組弧光暫態(tài)過電壓和接地電流的綜合性能較好。當然由于發(fā)電機定子繞組對地電容值的測量及計算會有誤差，因此在實際運行中對于限制接地故障時的弧光暫態(tài)過電壓和接地故障電流有最佳效果的中性點接地電阻值還需由現(xiàn)場試驗決定。表 1是在幾種大型水輪發(fā)電機定子織組對地電容值下當發(fā)電機中性點選取不同阻值的接地電阻時發(fā)生定子一點接地故障的發(fā)電機定子繞組弧光暫態(tài)過電壓的關系。 附表

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  對比方案 1 2 3

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  接地電流最大 中性點接地電 X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過 X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過 X_cn/R_n 弧光暫態(tài)過 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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  定子繞組每相對地電容C_w 1.8μf 3.6μf 3.22μf 中性點對地等值容抗X_cn(Ω) 587 294.5 320

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      圖1是附表中方案1對應的關系曲線(對應于定子繞組相對地電容值為1.81μf的情況)。由附表及圖1中可見，發(fā)電機中性點接地電阻R_n值并不是越大越好，當R_n值過大時和定子一點接地故障時，將會產生較高的弧光暫態(tài)過電壓，這將對發(fā)電機定子繞組絕緣造成威脅。隨著發(fā)電機中性點接地電阻R_n值的減小，發(fā)生接地故障時的弧光暫態(tài)過電壓倍數(shù)將下降，但當R_n減小至低于X_cn的值后發(fā)生接地故障時，弧光暫態(tài)過電壓倍數(shù)的下降將變得十分緩慢；相反地由于中性點接地電阻值的過小將不可能將接地故障電流限制在允許的范圍內，這樣接地電流將會燒損發(fā)電機定子鐵芯。     但實際應用中，接地電阻的大小還應根據發(fā)電機定子繞組的電氣絕緣水平來確定，當發(fā)電機的定子繞組電氣絕緣強度有較高的安全系數(shù)且中性點接入接地電阻后發(fā)生定子一點接地故障時的弧光暫態(tài)過電壓不會造成定子繞組絕緣損壞時，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，即接地電阻值可以選到圖1中橫坐標的0.5以下區(qū)域。     2、發(fā)電機中性點接地變壓器的選型計算 圖1 附表中方案1的圖示         在發(fā)電機星形中性點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)過電壓的要求，而且還要滿足與定子一點接地保護裝置相配合的要求，因為定子一點接地故障最終要靠定子一點接地保護的正確動作來切除。下面就ABB公司的投標方案進行復核計算。定子一點接地保護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(64S)需要一個向接地故障點注入低頻低壓監(jiān)測信號的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，其余為定子一點接地保護的供貨范圍?？紤]到與定子接地故障保護配合后接地變壓器選型計算過程如下： 圖2 接地保護與接地變的連接       計算用的基本數(shù)據：     發(fā)電機額定電壓U_gen=20kV，接地變原邊額定電壓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 滿足限制流經發(fā)電機中性點最大接地故障電流的需要     根據 IEEE“發(fā)電機接地保護導則”的規(guī)定，接地變壓器的副邊電阻R_ES和R_PS應限制流經發(fā)電機星形中性點的最大接地故障電流I_emax不超過20A，故接地變副邊的總電阻應為：     R_ES+R_PS≥U_gen/3^1/2×I_emax×(N₂/N₁)²     代入所給數(shù)據求得：R_ES十R_PS≥0.0433Ω     2.2 滿足與定子接地保護裝盲動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     按照我國繼電保護配置規(guī)程的規(guī)定，對于三峽這樣的大型水輪發(fā)電機當單相接地故障電流達到Iemax＝5A時，定子一點接地保護應動作于跳閘，依據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)生一點接地故障時流經接地變的最大故障電流為(在機端發(fā)生定子一點接地故障時出現(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 接地變壓器的計算參數(shù)與中標廠商投標參數(shù)的對照     ABB公司在其中標方案中所提供的發(fā)電機中性點接地變壓器主要參數(shù)應為：     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     接地變原邊額定電流：I_e.1＝5A     完全符合以上的計算的結果。     3、對接地電阻選值合理性的分析     從以上的計算結果可以看出，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原邊的發(fā)電機中性點等值電阻為R_n＝2307.8Ω，則X_cn/R_n＝0.23，此值對應與圖1上的暫態(tài)過電壓倍數(shù)為3.5倍左右，也就是說由于接入這一接地電阻當發(fā)生定子接地故障時最高會產生3.5U_gen的弧光暫態(tài)過電壓。但根據ABB公司的發(fā)電機中標方案，其定子繞組的絕緣電氣強度有比較高的安全系數(shù)，發(fā)電機定子繞組絕緣的擊穿電壓達到130kV，可承受6.5U_gen的交流電壓持續(xù)1分鐘以上，這一擊穿電壓值遠遠超過了發(fā)生接地故障時可能產生的最高弧光暫態(tài)過電壓，因而當發(fā)生定子一點接地故障時所產生的弧光暫態(tài)過電壓不會損壞定子繞組絕緣。在此基礎上，選擇較大的發(fā)電機中性點接地電阻值有利于限制接地故障電流及有利于發(fā)電機定子接地保護裝置的配合，因此這一接地電阻值的選擇是合理的。