周 龍， 熊 斌， 丁樹業(yè)， 駱 林， 汪泰安

(1.南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 江蘇 南京 210046； 2.中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 4.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司， 四川 德陽 618000)

1 引言

水電是一種可再生能源，利用好我國豐富的水力資源對(duì)助推國家“雙碳戰(zhàn)略”的實(shí)施以及電網(wǎng)安全具有重要價(jià)值。然而，由于近年來光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高[1]，且大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響越來越大[2]，導(dǎo)致水電建設(shè)中水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境也將變得越來越復(fù)雜[3]，其運(yùn)行狀況對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響也越來越大[4]，因此對(duì)水電建設(shè)中大型水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求也越來越高。

為了充分發(fā)揮水力資源的規(guī)模效益，我國水電建設(shè)中發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷提高，單機(jī)電壓和定子繞組對(duì)地電容也隨之增大，因此發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)流經(jīng)定子繞組對(duì)地電容的電流值不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致流經(jīng)故障點(diǎn)處電流值大小超過限定值。為避免非對(duì)稱故障對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響，需要嚴(yán)格控制故障點(diǎn)處接地電流，因此大型水輪發(fā)電機(jī)加持中性點(diǎn)接地裝置對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行十分必要。

我國現(xiàn)有大型水輪發(fā)電機(jī)，其中性點(diǎn)接地往往采用消弧線圈接地方式或高電阻接地方式[5]，經(jīng)消弧線圈接地可以有效減小接地故障電流，經(jīng)高阻接地可以抑制暫態(tài)過電壓[6]。但是大型機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，這些接地方式對(duì)于1 000 MW量級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)都不適用[7]。因此針對(duì)1 000 MW量級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)，采用一種組合式接地方式(即在中性點(diǎn)接地變壓器低壓側(cè)負(fù)載電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電感)，既可以利用電感補(bǔ)償電容電流，同時(shí)可以抑制暫態(tài)過電壓。但是研究表明，隨著我國水電建設(shè)中發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，三相定子繞組對(duì)地電容不對(duì)稱度也增大，導(dǎo)致采用中性點(diǎn)經(jīng)組合式接地方式后，中性點(diǎn)電壓漂移明顯增加[8]。

由于水輪發(fā)電機(jī)獨(dú)特的運(yùn)行方式，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓的升高，會(huì)加大發(fā)電機(jī)三相電壓的不對(duì)稱性[9]，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出端電壓幅值大于電網(wǎng)電壓，對(duì)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程造成嚴(yán)重不良影響。而且中性點(diǎn)電壓漂移的顯著增大，容易引發(fā)定子繞組單相接地故障。當(dāng)發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)還將會(huì)產(chǎn)生較高的暫態(tài)位移電壓，中性點(diǎn)暫態(tài)位移電壓過高將增大發(fā)電機(jī)附加損耗、干擾電網(wǎng)通信系統(tǒng)等，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)以及配電網(wǎng)的正常運(yùn)行[10]。

實(shí)際運(yùn)行中，中性點(diǎn)位移電壓普遍存在，特別是在中性點(diǎn)接地裝置中含有消弧線圈補(bǔ)償時(shí)[11]。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，中性點(diǎn)位移電壓與發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱度、消弧線圈脫諧度、電網(wǎng)的阻尼率以及殘流有關(guān)[12]；對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置加電抗接地，中性點(diǎn)接地方式采用高阻加電抗補(bǔ)償方式時(shí)，有可能使中性點(diǎn)電壓漂移變大[13,14]；且中性點(diǎn)接入接地裝置后，中性點(diǎn)位移電壓的放大倍數(shù)等于電容電流與期望接地點(diǎn)故障電流的比值[15]。

合理地分析中性點(diǎn)接地的電壓漂移與電容分配不均、接地裝置參數(shù)之間的關(guān)系，既可以合理設(shè)置電機(jī)內(nèi)電容參數(shù)，使得電容分配維持在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)；又可以在故障電流以及中性點(diǎn)漂移電壓的放大方面做一個(gè)適當(dāng)?shù)倪x擇，使得故障電流不會(huì)過大傷害鐵心等部件，同時(shí)限制中性點(diǎn)漂移電壓放大倍數(shù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，不會(huì)過度影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

因此，本文基于中性點(diǎn)經(jīng)電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式，首先分析了1 000 MW量級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓漂移影響因素，然后以降低中性點(diǎn)電壓漂移為準(zhǔn)則，提出一種中性點(diǎn)組合式接地裝置參數(shù)選擇方式，最后通過準(zhǔn)分布電容參數(shù)處理方法搭建水輪發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障模型，分析了此參數(shù)接地方式下的單相接地故障電流以及暫態(tài)過電壓，驗(yàn)證了該參數(shù)選取方法的可行性。

2 中性點(diǎn)接地方式發(fā)展

在水電建設(shè)中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇是涉及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵因素。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地方式，按照其發(fā)展的歷程大致可分為：直接接地、經(jīng)低阻抗接地、不接地、經(jīng)高電阻接地、經(jīng)消弧線圈接地五種方式。對(duì)于前兩種接地方式，若發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障，流經(jīng)故障點(diǎn)電流值很大，難免會(huì)造成發(fā)電機(jī)的內(nèi)部損失，因此已被市場(chǎng)淘汰。對(duì)于第三種接地方式，若發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組單相接地故障，會(huì)引起較高過電壓，威脅非故障繞組的絕緣安全。綜上，如今的水電建設(shè)中大型水輪機(jī)組中性點(diǎn)多采用上述后兩種接地方式[16]。

水輪發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容大，單相接地時(shí)電容電流較大，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流等于流經(jīng)定子繞組對(duì)地電容電流和流經(jīng)中性點(diǎn)接地裝置的電流相疊加。

采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式可以有效地補(bǔ)償對(duì)地電容電流，因此可以將故障點(diǎn)處流經(jīng)電流嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)，減輕故障電流對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的損傷。但是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，水輪發(fā)電機(jī)采用該接地方式發(fā)生單相接地故障時(shí)可引起3.8倍暫態(tài)過電壓，危及定子繞組健全相，甚至導(dǎo)致單相接地故障發(fā)展成更為嚴(yán)重的相間故障[17]。

中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式可以有效降低暫態(tài)過電壓，但在水電建設(shè)中，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量越來越大，進(jìn)而導(dǎo)致流經(jīng)定子繞組電容電流也越來越大，而中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地非但不能補(bǔ)償電容電流，還會(huì)導(dǎo)致單相接地故障電流增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒損鐵心[18]。

針對(duì)1 000 MW量級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)既要求暫態(tài)過電壓控制在2.6倍相電壓以下，同時(shí)要求接地故障電流不大于25 A，傳統(tǒng)的接地方式都不適用。因此，白鶴灘水電站應(yīng)用了組合式接地方式，即在接地配電變壓器低壓側(cè)負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)小電感，這樣既可以補(bǔ)償一部分故障接地電流，又可以保留高阻接地方式抑制暫態(tài)過電壓的優(yōu)點(diǎn)。

中性點(diǎn)組合式接地等效電路如圖1所示，圖1中，R為中性點(diǎn)接地等效電阻值，L為中性點(diǎn)接地等效電感值。

圖1 中性點(diǎn)組合式接地方式等效電路Fig.1 Equivalent circuit of neutral point combined grounding mode

3 中性點(diǎn)電壓漂移影響因素分析

大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組線圈數(shù)量大，且定子繞組三相回路電容并不完全相等，這使得發(fā)電機(jī)在中性點(diǎn)不接地情況下就會(huì)出現(xiàn)零序性質(zhì)的位移電壓，當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接入接地裝置后，在此電壓的作用下，中性點(diǎn)電壓會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，此時(shí)若定子繞組發(fā)生單相接地故障，中性點(diǎn)電壓值將超過相電壓，這種現(xiàn)象不僅會(huì)導(dǎo)致基于基波零序電壓為判據(jù)的定子單相接地保護(hù)動(dòng)作值不得不提高、對(duì)發(fā)電機(jī)和接入電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，而且情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危害絕緣安全。

中性點(diǎn)接地方式的選取受機(jī)組參數(shù)的直接影響，本文調(diào)查統(tǒng)計(jì)了部分大型水輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 部分大型水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of some huge hydraulic-generators

表1中，P為水輪發(fā)電機(jī)額定有功功率；U為發(fā)電機(jī)額定電壓；cosφ為額定功率因數(shù)；f為額定頻率；CΣ為發(fā)電機(jī)三相對(duì)地總電容，不僅包括發(fā)電機(jī)定子繞組三相對(duì)地電容值，還包括發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備及主變壓器低壓側(cè)對(duì)地電容值；RS為定子繞組每相電阻測(cè)量值；LS為定子繞組每相漏電感。

本文以白鶴灘水電站1 000 MW量級(jí)的大型水輪發(fā)電機(jī)為例對(duì)中性點(diǎn)電壓漂移影響因素進(jìn)行分析，接地裝置等效為電阻與電抗并聯(lián)模型(串聯(lián)參數(shù)可通過計(jì)算等效轉(zhuǎn)化)。

3.1 不對(duì)稱系數(shù)影響分析

3.1.1 理論分析

圖2 中性點(diǎn)不接地時(shí)水輪發(fā)電機(jī)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of hydraulic-generators withnon-grounded neutral point

(1)

式中，ω為額定角頻率，則有：

(2)

由式(2)可知，若發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地電容相等，則中性點(diǎn)位移電壓為0；而實(shí)際發(fā)電機(jī)中三相對(duì)地電容并不平衡，其中性點(diǎn)位移電壓與三相對(duì)地不平衡程度有關(guān)。

3.1.2 仿真分析

為了避免接地參數(shù)改動(dòng)的影響，中性點(diǎn)接地參數(shù)選取如下：

(1)當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻值等于或近似等于從發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)看入的對(duì)地容抗值時(shí)，能較好地限制定子繞組弧光暫態(tài)過電壓和故障接地電流[19]。因此，選取接地電阻值RN等于XC∑，XC∑為發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地容抗值。

(2)為了限制接地故障電流，接地電阻所并聯(lián)的電抗LN采用與對(duì)地電容完全補(bǔ)償?shù)姆绞?，取值大小等于XC∑。

我去醫(yī)院看他了，小小嫩嫩的一團(tuán)，臉皺得跟個(gè)猴子似的，眼睛都沒有睜開。我趁護(hù)士不注意偷抱出去想賣掉他，被發(fā)現(xiàn)了，小三從病床上滾下來抱著嬰兒哭成一團(tuán)，老爹鐵青著一張臉。

為了標(biāo)定三相對(duì)地電容的不平衡度，在此記電容不對(duì)稱系數(shù)為α，令Ca=Cc≠Cb，則α取值為：

(3)

通過改變電容不對(duì)稱系數(shù)，即Ca、Cb、Cc的值進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到位移電壓隨電容不對(duì)稱系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)位移電壓隨不對(duì)稱系數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curve of neutral point displacement voltage with asymmetry coefficient

由圖3知，中性點(diǎn)位移電壓受定子繞組對(duì)地電容不對(duì)稱系數(shù)影響。當(dāng)電容不對(duì)稱系數(shù)取值為0時(shí)，位移電壓僅有1.575 2 μV，幾乎可認(rèn)為不存在；當(dāng)對(duì)地電容出現(xiàn)微小的不平衡時(shí)，位移電壓突然出現(xiàn)，且隨著不對(duì)稱系數(shù)的提高，中性點(diǎn)的位移電壓呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)不對(duì)稱系數(shù)達(dá)到20%時(shí)，位移電壓可達(dá)1 324.6 V。因此，考慮到保護(hù)安全，以及留有5%的誤差范圍，應(yīng)保證不對(duì)稱系數(shù)不超過20%。

3.2 接地裝置參數(shù)影響分析

3.2.1 理論分析

中性點(diǎn)接入接地裝置后，水輪發(fā)電機(jī)等效電路如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)接入接地裝置后水輪發(fā)電機(jī)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of hydraulic-generators with neutral point connected to grounding device

(4)

解得：

(5)

式中，C∑為三相對(duì)地總電容，聯(lián)立式(2)和式(5)可得：

(6)

由式(6)可知，在中性點(diǎn)接入接地裝置后，位移電壓不僅和三相對(duì)地電容不平衡度有關(guān)，還和中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)有關(guān)。

3.2.2 仿真分析

為了便于觀察中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)的影響，在本節(jié)研究水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)對(duì)中性點(diǎn)電壓漂移的影響時(shí)，取電容不對(duì)稱系數(shù)α=0.05。同時(shí)為了獲得接地裝置參數(shù)對(duì)中性點(diǎn)電壓漂移影響較為全面的數(shù)據(jù)，中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)參照3.1節(jié)中參數(shù)選取，并以此為基準(zhǔn)值，選取不同的電阻、電抗值進(jìn)行分析。

通過改變接地電阻、電抗值，得到中性點(diǎn)位移電壓隨接地參數(shù)改變而變化的曲線如圖5所示。

圖5能較好地反映出接地參數(shù)變化對(duì)位移電壓影響的整體趨勢(shì)，為了進(jìn)一步獲得接地電阻和電抗對(duì)位移電壓更直接的影響，采取定量分析方法，分別以“接地電阻/定子繞組對(duì)地容抗”、“接地電阻所并聯(lián)電抗/定子繞組對(duì)地容抗”為橫坐標(biāo)，得出不同接地電阻或不同接地電阻所并聯(lián)電抗的變化對(duì)位移電壓的影響如圖6、圖7所示。由圖5、圖6、圖7可以得出：

圖6 中性點(diǎn)位移電壓隨接地電阻變化曲線圖Fig.6 Variation curve of neutral point displacement voltage with grounding resistance

圖7 中性點(diǎn)位移電壓隨接地電阻所并聯(lián)電抗變化曲線圖Fig.7 Variation curve of neutral point displacement voltagewith parallel reactance of grounding resistance

(1)對(duì)于不同電抗值下的中性點(diǎn)位移電壓，當(dāng)電抗值固定時(shí)，位移電壓呈現(xiàn)出較為一致的變化趨勢(shì)，即位移電壓隨接地裝置電阻值增加而增加，其變化速率隨著電抗值的增大而增大；

(2)對(duì)于不同電阻值下的中性點(diǎn)位移電壓，當(dāng)電阻值固定時(shí)，位移電壓隨接地裝置電抗值增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其變化速率隨著電阻值的增大而增大，且位移電壓幅值在接地電阻所并聯(lián)電抗值與三相定子繞組對(duì)地容抗值相等時(shí)取得極大值。

4 接地裝置參數(shù)選取及可行性驗(yàn)證

由圖6、圖7可以看出，當(dāng)電感取值大于0.4LN時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓隨接地電阻的增大而大幅度增加；當(dāng)接地電阻取值大于0.8RN時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓變化速率也較大。根據(jù)上述仿真得到的影響規(guī)律，可適當(dāng)取小電阻、電抗值，但同時(shí)考慮到接地電流等其他因素的影響，不宜取值過小，因此可以將接地電阻取值為發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地容抗值的7/10，接地電阻所并聯(lián)的電抗值取值為發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地容抗值的3/10。

考慮到接地裝置參數(shù)的選取要兼顧中性點(diǎn)電壓漂移、接地故障電流、暫態(tài)過電壓等多個(gè)因素的影響，因此采用準(zhǔn)分布電容處理方法，搭建水輪發(fā)電機(jī)單相接地故障模型如圖8所示，對(duì)上述接地參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。由于不同故障點(diǎn)對(duì)地電位不同，接地點(diǎn)越靠近機(jī)端，其故障程度越嚴(yán)重[20]，因此假設(shè)故障點(diǎn)發(fā)生在機(jī)端出線處，得到發(fā)生單相接地故障時(shí)故障接地電流和三相暫態(tài)電壓隨時(shí)間變化曲線分別如圖9、圖10所示。

圖8 單相接地故障準(zhǔn)分布電容模型Fig.8 Quasi distributed capacitance model of single-phase grounding fault

圖10 單相接地故障下三相暫態(tài)電壓Fig.10 Three phase transient voltage under single-phase grounding fault

由圖9可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式新型參數(shù)選取可以很好地抑制故障電流，使其控制在故障電流標(biāo)準(zhǔn)范圍25 A之內(nèi)，根據(jù)IEEE Std C37.101—2006[21]，可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

由圖10可以看出，中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式的新型參數(shù)選取同時(shí)可以很好地抑制健全相暫態(tài)過電壓，使其控制暫態(tài)過電壓不超過2.6 pu (標(biāo)幺值的基值取額定電壓的幅值)，因此新型參數(shù)選取也可以滿足暫態(tài)過電壓的要求。

5 結(jié)論

本文研究了1 000 MW量級(jí)大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式下的電壓漂移影響因素，提出一種組合式接地裝置參數(shù)優(yōu)化方法，并通過準(zhǔn)分布電容方法搭建了水輪發(fā)電機(jī)單相接地故障模型，驗(yàn)證了其可行性。從研究結(jié)果可以看出：

(1)中性點(diǎn)電壓漂移受三相定子繞組對(duì)地電容的不對(duì)稱性和中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)的影響，其位移電壓與對(duì)地電容不對(duì)稱系數(shù)呈線性正相關(guān)，即隨著不對(duì)稱系數(shù)的增大而增大。因此，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能降低設(shè)備電容不對(duì)稱。

(2)大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式參數(shù)選擇時(shí)，將接地電阻取值為發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地容抗值的7/10，接地電阻所并聯(lián)的電抗值取值為發(fā)電機(jī)三相定子繞組對(duì)地容抗值的3/10，可以使得中性點(diǎn)漂移有效降低，并同時(shí)滿足接地故障電流以及暫態(tài)過電壓兩種因素的要求，為大型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組裝配中的中性點(diǎn)接地裝置參數(shù)選擇提供參考。