李張秀，郭玉恒

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617100）

0 前言

目前，我國大容量發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地主要采用消弧線圈接地和接地變壓器高阻接地兩種方式，兩種方式相對(duì)獨(dú)立存在。消弧線圈接地方式主要作用原理是用電感電流補(bǔ)償發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電容電流，從而降低故障點(diǎn)的故障電流幅值。接地變壓器高阻接地方式主要作用原理是消除部分殘余電荷和電能，限制暫態(tài)過電壓[1]，增大零序回路阻尼，避免傳遞過電壓和暫態(tài)過電壓對(duì)發(fā)電機(jī)的危害。采用接地變壓器高阻接地方式在國內(nèi)外被應(yīng)用廣泛[2]。

二灘水電站發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為550 MW，額定電壓18 kV，定子繞組單相對(duì)地電容1.686 μF，中性點(diǎn)接地方式采用接地變壓器高阻接地，變壓器額定容量75 kVA，變比14.4 kV/120 V，二次負(fù)載電阻8.62×10-2Ω。2016年2月，二灘水力發(fā)電廠在對(duì)2號(hào)機(jī)組定子改造前期準(zhǔn)備工作中，分別在帶接地變和不帶接地變情況下，模擬發(fā)電機(jī)出口單相接地故障，對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓、位移電壓和單相接地點(diǎn)故障電流幅值進(jìn)行了測(cè)試[3]。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

從表1可知，采用接地變壓器高阻接地方式，流過故障點(diǎn)的故障電流幅值比沒有接入接地變壓器時(shí)略大，且兩種運(yùn)行方式的接地點(diǎn)故障電流幅值均超過《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次》要求的10～15 A[1]。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

為確保改造后的設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足規(guī)程規(guī)范要求，二灘水力發(fā)電廠同設(shè)計(jì)院、廠家充分溝通和研究，決定采用集高電阻和電抗器功能為一體的復(fù)合型接地裝置。

二灘水力發(fā)電廠已于2017年完成二灘水電站2號(hào)發(fā)電機(jī)的改造工作，集高電阻和電抗器功能為一體的接地裝置已投入運(yùn)行，投運(yùn)截止到2020年，接地裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文簡要闡述接地裝置和參數(shù)的選擇及應(yīng)用效果。

1 定子繞組單相接地電容電流的計(jì)算

計(jì)算發(fā)電機(jī)單相對(duì)地電容電流除考慮定子繞組單相對(duì)地電容，同時(shí)還應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)出口封閉母線電容、GCB兩側(cè)電容、主變低壓側(cè)電容以及廠高變、勵(lì)磁變高壓側(cè)電容，各設(shè)備電容如下：

（1）發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容為2.09 μF，三相電容之和C1為6.27 μF；

（2）發(fā)電機(jī)出口封閉母線三相電容值C2為：0.029 μF；

（3）主變壓器三相電容C3為：C3A+C3B+C3C=0.027 28+0.026 87+0.026 99=0.081 14 μF；

（4）勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電容C4為：

（5）廠高變高壓側(cè)電容C5為：

（6）GCB發(fā)電機(jī)側(cè)電容C6為：

（7）GCB主變側(cè)電容C7為：

（8）三相總電容C為：

計(jì)算發(fā)電機(jī)單相對(duì)地電容電流IC為：

IC——發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容電流，A；

C——發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容，μF；

ω——角頻率，ω=2πf；

Un——發(fā)電機(jī)額定電壓，kV。

2 接地裝置變壓器一次電流的計(jì)算

根據(jù)NB/T 35067-2015《水力發(fā)電廠過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》“3.4中性點(diǎn)高電阻接地方式”相關(guān)內(nèi)容，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接入電阻值的大小，將影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的暫時(shí)過電壓值。按運(yùn)行機(jī)組耐壓值為1.5倍發(fā)電機(jī)的額定電壓，則健全相暫時(shí)過電壓不宜超過2.6倍相電壓。為滿足以上要求，則發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)電阻電流應(yīng)不小于電容電流，且根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次》的有關(guān)要求，盡可能限制單相接地故障電流不超過10～15 A，因此，擬選取發(fā)電機(jī)單相接地故障點(diǎn)電流為13.5 A，同時(shí)補(bǔ)償后的電容電流按電阻電流大小選取。則：

電阻電流：

補(bǔ)償后的電容電流：

補(bǔ)償電感電流：

因此，接地變一次側(cè)電流為：

3 接地裝置變壓器容量選擇及結(jié)構(gòu)要求

為防止發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地時(shí)，變壓器產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，變壓器額定電壓的選擇不宜低于發(fā)電機(jī)額定電壓，變壓器的一次電壓取發(fā)電機(jī)的額定電壓。

變壓器容量與其工作時(shí)間有關(guān)，按以下計(jì)算。

式中：

S——變壓器容量，kVA；

U1——變壓器額定電壓，kV；

I1——發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)接地變一次側(cè)電流，A；

k1——過負(fù)荷系數(shù)，過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間按照10 min，查曲線（見圖1），過負(fù)荷系數(shù)為2.35。

圖1 變壓器故障運(yùn)行時(shí)間和過負(fù)荷系數(shù)的曲線

按容量標(biāo)準(zhǔn)取接地變壓器額定容量為180 kVA。則實(shí)際過負(fù)荷系數(shù)為：

因此，選擇額定容量為180 kVA的F級(jí)絕緣耐熱等級(jí)的環(huán)氧澆注型干式變壓器，二次側(cè)額定電壓為0.5 kV，短路阻抗為4%。變壓器引線和抽頭的支撐應(yīng)使所有的重量不由線圈負(fù)擔(dān)，線圈應(yīng)支撐牢固。鐵心應(yīng)嚴(yán)格夾緊以避免運(yùn)輸中位移或運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。從變壓器至發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的連接應(yīng)為單相母線，接地變柜內(nèi)應(yīng)提供與其連接的布置空間。母線的引入口的位置應(yīng)與整套接地裝置的設(shè)計(jì)相配合，并應(yīng)提供固定母線的支架。內(nèi)部的高壓連接應(yīng)按定子繞組的全線電壓絕緣。高壓繞組為密閉式，與二次繞組之間對(duì)地靜電屏蔽。

4 接地裝置變壓器低壓側(cè)接入電阻和電抗器的計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算的接地變等效一次側(cè)電阻電流和電感電流，可以計(jì)算出接地變二次側(cè)相應(yīng)的電阻電流和電感電流分別為：

發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓為相電壓,此時(shí)接地裝置變壓器二次回路參數(shù):

考慮變壓器的有功損耗通常不超過額定容量的2%，即180×0.02=3 600 W

減去變壓器有功損耗等效電阻后的阻抗:

R2——變壓器低壓側(cè)接入電阻值，Ω；

L2——變壓器低壓側(cè)接入電抗值，Ω；

U2——變壓器低壓側(cè)電壓，0.5 kV；

k——變壓器變比，36；

P——變壓器總損耗，W。根據(jù)同容量配電變壓器損耗約為3 600 W。

根據(jù)上述計(jì)算接地裝置變壓器二次側(cè)使用電抗器時(shí)，電阻器的電阻值為0.89 Ω（冷態(tài)），電阻值調(diào)整允許范圍在-15%～+15%以內(nèi)，電阻器的抽頭數(shù)量不少于7個(gè)，便于選擇合理的電阻值（定子接地保護(hù)裝置一般要求電阻為0.5～1 Ω）。二次電抗器額定電抗為0.49 Ω(25 ℃)，額定電感量為1.56 mH（電抗值允許范圍在-15%～+15%以內(nèi)），二次電抗器有抽頭不少于7個(gè)，便于選擇合理的電抗值。

接地裝置變壓器本身的短路阻抗串聯(lián)在中性點(diǎn)接地回路中，對(duì)最終故障電流大小有影響，因此二次補(bǔ)償電抗器以及電阻器的數(shù)值在工廠制造時(shí)需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以保證故障電流在保證值的±10%的允許范圍內(nèi)。

5 應(yīng)用效果

接地裝置出廠前進(jìn)行了模擬單相接地試驗(yàn)，在電阻4檔（R=0.89 Ω）、電抗器5檔（XL=0.49 Ω）時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算故障點(diǎn)電流為13.5 A，實(shí)測(cè)值為12 A，滿足計(jì)算要求。在這種參數(shù)配置條件下，模擬發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓為337 V，是額定相電壓的3.2 %，也滿足發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行的要求。

2號(hào)機(jī)定子改造后實(shí)測(cè)定子繞組單相對(duì)地電容約2.47 μF，比設(shè)計(jì)電容值大，如電阻器和電抗器仍然選擇為出廠檔位，則實(shí)際單相對(duì)地電容電流將變大。為了驗(yàn)證接地裝置選型的正確性，經(jīng)復(fù)核計(jì)算后將電阻器檔位調(diào)至5檔（R=0.93 Ω），電抗器檔位調(diào)至4檔（XL=0.47 Ω），調(diào)整后進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

從表2數(shù)據(jù)可知，在接地裝置變壓器的二次側(cè)加裝電抗器補(bǔ)償后，可有效將定子單相接地故障電流限制在10～15 A以內(nèi)。雖然此種方式會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)位移電壓有所升高，但影響不大，完全滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。

6 對(duì)定子注入式接地保護(hù)的影響

采用新型中性點(diǎn)接地裝置后，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模擬定子繞組接地電阻為7 kΩ以上時(shí)超出了保護(hù)裝置測(cè)量量程。最終將二次側(cè)CT安裝位置進(jìn)行了重新調(diào)整，并將零序電流判據(jù)改為電壓判據(jù)后，注入式定子接地保護(hù)運(yùn)行正常。

7 結(jié)論

集高電阻和電抗器功能為一體的中性點(diǎn)接地裝置已在二灘水電站成功應(yīng)用，它不僅能有效限制傳遞過電壓和暫態(tài)過電壓對(duì)發(fā)電機(jī)的危害，而且還能將單相接地故障電流限制在允許運(yùn)行范圍內(nèi)，大大降低了發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障后事故惡化的可能性，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠性，此方式值得推廣。