三峡发电机中性点接地方式及接地装置选型

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三峡左岸电站的14台水轮发电机分别由 ABB和阿斯通、西门子和通用电气加拿大公司两方提供，在所投报的发电机技术投标方案中，对于发电机的中性点接地方式均采用了通过单相接地变压器接地的方式，没有采用国内通常采用的经消弧线圈接地方式。为此。有必要对三峡电站发电机中性点采用经接地变压器接地的方式进一步探讨，对接地变压器的主要参数进行复核计算，对发电中性接地方式与发电机定子一点接地保护的配合问题进行分析。

    1、发电机中性点接地方式的选择     三峡左岸电站机组的招标文件中对于发电机中性接地方式没作硬性要求，卖方可根据自己的经验和业绩推荐采用接地变压器接地方式或消弧线圈接地方式，但要求接地方式的选择应和发电机的100%范围定子一点接地保护相关联，以保证当发电机一次测系统发生一点接地故障时，在发电机定子一点接地保护配合下，能够以尽可能短的时间切除接地故障，防止发电机定子铁芯和定子绕组受损。     1.1 发电机定子绕组发生一点接地故障时的故障电流值     发电机定子绕组发生一点接地故障时，接地故障电流的大小主要取决于定子绕组每相对地电容值的大小及接地点的位置。ABB公司设计的三峡电站发电机定子绕组单相对地电容值为1.81μf，西门子公司和加拿大 GE公司联合设计的发电机定子绕组单相对地电容值为1.4μf，因此可在此基础上对三峡电站发电机绕组一点接地故障电流进行计算，计算过程如下(以ABB的发电机为例)：     发电机定子绕组单相对地电容值Cw＝1.81μf     发电机出口至升压主变低压绕组间每相对地等值电容Ct＝0.2μf(经验值)     总的每相对地电容值C0=Cw+Ct=2.01μf     从发电机端看人的每相对地等值容抗：      X_c0＝1/wC₀=1/2πfC₀=1/314×2.01×10^-6=1.584.4(Ω/相)     从发电机星形中性点看入的对地容抗：     X_cn＝X_c0/3＝528(Ω/相)     三峡机组在发电机端发生定子绕组一点接地故障时的故障电流值为(取发电机额定电压为U_e＝20kV)：     J₀=U_e/(3X_cn^1/2)＝20000/(3^1/2×528)＝21.86A     同理可求得西门子公司和加拿大GE公司联合设计的发电机(定子绕组单相对地电容值为1.4μf)发生机端
定子绕组一点接地故障时的故障电流值为17.4A。     根据上面计算的结果，三峡机组在机端发生定子绕组一点接地故障时的故障电流已远超过了有关规程规
定的允许值，因而须按照 ANSI/IEEE C37.101“发电机接地保护导则”的要求在发电机中性点与地之间接
入接地变压器或消弧线圈来限制定子一点接地时的故障电流并在发电机定子一点接地保护装置的配合下快速切除接地故障，以防止发电机定子铁芯烧损。     1.2 发电机中性点接地方式的选择     三峡电站水轮发电机中性点接地方式的选择主要依据以下两点:     根据 IEEE有关标准的推荐。对于三峡电站这种定子绕组对地电容比较大的发电机所适用的中性点接地方式应保证发生定子一点接地故障时中性点的暂态过电压不超过分许值且与最大接地故障电流的时间特性相适应。根据这一原则进行相应分析计算的结果表明，对于三峡发电机的中性点采用经接地变压器的高电阻接地方式是合适的。     中标厂商在其大型水轮发电机中性点接地方式方面的经验。ABB、加拿大GE和西门子公司都有过制造与三峡机组相近容量水轮发电机的良好业绩，在这几家公司及西方其他水轮发电机制造厂商所生产的大型水轮发电机中，基本上都采用发电机中性点接地变压器接地的方式，运行情况良好。     1.3 中性点接地电阻值的选取     根据理论分析计算，当发电机中性点接地电阻值等于或近似于从发电星形中性点看入的对地容抗值时，限制定子一点接地故障时的定子绕组弧光暂态过电压和接地电流的综合性能较好。当然由于发电机定子绕组对地电容值的测量及计算会有误差，因此在实际运行中对于限制接地故障时的弧光暂态过电压和接地故障电流有最佳效果的中性点接地电阻值还需由现场试验决定。表 1是在几种大型水轮发电机定子织组对地电容值下当发电机中性点选取不同阻值的接地电阻时发生定子一点接地故障的发电机定子绕组弧光暂态过电压的关系。 附表

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  对比方案 1 2 3

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  接地电流最大 中性点接地电 X_cn/R_n 弧光暂态过 X_cn/R_n 弧光暂态过 X_cn/R_n 弧光暂态过 值I_Emax(A) 阻R_n(Ω) 电压倍数 电压倍数 电压倍数 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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  定子绕组每相对地电容C_w 1.8μf 3.6μf 3.22μf 中性点对地等值容抗X_cn(Ω) 587 294.5 320

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      图1是附表中方案1对应的关系曲线(对应于定子绕组相对地电容值为1.81μf的情况)。由附表及图1中可见，发电机中性点接地电阻R_n值并不是越大越好，当R_n值过大时和定子一点接地故障时，将会产生较高的弧光暂态过电压，这将对发电机定子绕组绝缘造成威胁。随着发电机中性点接地电阻R_n值的减小，发生接地故障时的弧光暂态过电压倍数将下降，但当R_n减小至低于X_cn的值后发生接地故障时，弧光暂态过电压倍数的下降将变得十分缓慢；相反地由于中性点接地电阻值的过小将不可能将接地故障电流限制在允许的范围内，这样接地电流将会烧损发电机定子铁芯。     但实际应用中，接地电阻的大小还应根据发电机定子绕组的电气绝缘水平来确定，当发电机的定子绕组电气绝缘强度有较高的安全系数且中性点接入接地电阻后发生定子一点接地故障时的弧光暂态过电压不会造成定子绕组绝缘损坏时，则接地电阻值的选取则主要从减小接地故障电流值为出发点，即接地电阻值可以选到图1中横坐标的0.5以下区域。     2、发电机中性点接地变压器的选型计算 图1 附表中方案1的图示         在发电机星形中性点接入接地变压器不仅是满足限制接地故障电流和弧光暂态过电压的要求，而且还要满足与定子一点接地保护装置相配合的要求，因为定子一点接地故障最终要靠定子一点接地保护的正确动作来切除。下面就ABB公司的投标方案进行复核计算。定子一点接地保护与接地变压器的连接方式如图2所示。ABB公司所采用的100%定子接地故障保护(64S)需要一个向接地故障点注入低频低压监测信号的REX010型装置和 REX011型装置，其与接地变压器的连接地方式如图2所示。图2中，由线圈N1和N2组成的接地变本体及接地变副边电阻(R_es十R_ps)为接地变压器的供货范围，其余为定子一点接地保护的供货范围。考虑到与定子接地故障保护配合后接地变压器选型计算过程如下： 图2 接地保护与接地变的连接       计算用的基本数据：     发电机额定电压U_gen=20kV，接地变原边额定电压U_le＝20/3^1/2kV，接地变副边额定电压U_le＝100V，则接地变的变比为：     N₁/N₂=20kV/(3^1/2×100V)＝115.5     2.1 满足限制流经发电机中性点最大接地故障电流的需要     根据 IEEE“发电机接地保护导则”的规定，接地变压器的副边电阻R_ES和R_PS应限制流经发电机星形中性点的最大接地故障电流I_emax不超过20A，故接地变副边的总电阻应为：     R_ES+R_PS≥U_gen/3^1/2×I_emax×(N₂/N₁)²     代入所给数据求得：R_ES十R_PS≥0.0433Ω     2.2 满足与定子接地保护装盲动作值整定配合的需要     条件一：130Ω×(N₂/N₁)²≤R_PS≤500Ω×(N₂/N₁)²     条件二：R_ES≥4.5R_ps     条件三：0.7kΩ×(N₂/N₁)²≤R_ES≤5kΩ×(N₂/N₁)²     按照我国继电保护配置规程的规定，对于三峡这样的大型水轮发电机当单相接地故障电流达到Iemax＝5A时，定子一点接地保护应动作于跳闸，依据这一原则求得的接地变副边电阻为：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     满足条件一、二的R_ps值为R_ps≤0.0314Ω，取R_ps=0.03Ω，则：     R_ES=0.173一R_ES=0.173-0.03=0.143Ω     满足条件三的RES值为：0.0525Ω≤R_ES≤0.375Ω     可见所求得的R_ES=0.143Ω是满足该要求的。     2.3 满足接地变压器额定参数的需要     在所选定的接地变压器副边电阻R_ES十R_ps=0.173Ω下，发生一点接地故障时流经接地变的最大故障电流为(在机端发生定子一点接地故障时出现)：     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     考虑1.1倍裕度时的接地变压器的容量：     P_T=U_le×I_E×1.1＝(10/3^1/2)×5×1.1＝63.5kvA     接地变压器副边电流：     I₂＝I_E×(N₁/N₂)＝5×115.5＝577.5A     2.4 接地变压器的计算参数与中标厂商投标参数的对照     ABB公司在其中标方案中所提供的发电机中性点接地变压器主要参数应为：     额定电压比(20000/3^1/2)/100 额定容量：P_T＝64kvA     接地电阻：R_ES十R_PS=0.173Ω     接地变原边额定电流：I_e.1＝5A     完全符合以上的计算的结果。     3、对接地电阻选值合理性的分析     从以上的计算结果可以看出，接地变压器副边电阻(R_ES十R_ps)的值为0.173Ω，此电阻折算至接地变原边的发电机中性点等值电阻为R_n＝2307.8Ω，则X_cn/R_n＝0.23，此值对应与图1上的暂态过电压倍数为3.5倍左右，也就是说由于接入这一接地电阻当发生定子接地故障时最高会产生3.5U_gen的弧光暂态过电压。但根据ABB公司的发电机中标方案，其定子绕组的绝缘电气强度有比较高的安全系数，发电机定子绕组绝缘的击穿电压达到130kV，可承受6.5U_gen的交流电压持续1分钟以上，这一击穿电压值远远超过了发生接地故障时可能产生的最高弧光暂态过电压，因而当发生定子一点接地故障时所产生的弧光暂态过电压不会损坏定子绕组绝缘。在此基础上，选择较大的发电机中性点接地电阻值有利于限制接地故障电流及有利于发电机定子接地保护装置的配合，因此这一接地电阻值的选择是合理的。