清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)高阻接地設(shè)備參數(shù)校驗

陳 涵

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣州 510635)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)高阻接地設(shè)備參數(shù)校驗

陳 涵

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣州 510635)

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)中性點(diǎn)采用高阻接地方式。相較中性點(diǎn)不接地方式和經(jīng)過消弧線圈接地方式來說，中性點(diǎn)經(jīng)過高阻接地方式具有更大的單相接地短路電流。因此，采用中性點(diǎn)經(jīng)過高阻接地方式的機(jī)組，發(fā)生單相接地短路時，不再允許帶故障運(yùn)行，接地保護(hù)必須動作于發(fā)電電動機(jī)故障跳閘。文章對清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備參數(shù)進(jìn)行校驗。

抽水蓄能電站；發(fā)電機(jī)；高阻接地設(shè)備；參數(shù)校驗

1 概 述

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市的清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，地理位置處于珠江三角洲西北部，直線距廣州75km，距清遠(yuǎn)市32km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。廠內(nèi)安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量(發(fā)電工況)320MW，總裝機(jī)容量1280MW。地面中控樓，布置在洞外。電站水輪發(fā)電機(jī)由東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司生產(chǎn)并供貨，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地采用經(jīng)過接地變壓器高阻接地方式。

2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式

根據(jù)系統(tǒng)容量的不同、主接線形式的不同、電站裝機(jī)容量的不同、機(jī)組單機(jī)容量的不同，以及不同系統(tǒng)對不同發(fā)電機(jī)的不同的運(yùn)行習(xí)慣和要求，各電站的發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)的接地方式不盡相同。目前國內(nèi)主流電站的中性點(diǎn)接地方式主要有中性點(diǎn)不接地方式、中性點(diǎn)直接接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)電抗器接地方式等。

2.1 中性點(diǎn)不接地方式

中性點(diǎn)不接地方式是最簡單的機(jī)組中性點(diǎn)接地方式，這種方式可以省去發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

采用中性點(diǎn)不接地方式時，發(fā)電機(jī)出口發(fā)生定子單相接地故障時，故障電流的分布情況見圖1。

圖1 故障電流的分布情況

當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，三相電容電流互相平衡，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)沒有電容電流流過。

2.2 中性點(diǎn)直接接地方式

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)又稱為大接地電流系統(tǒng)，如圖2所示。

在這種方式下，因為中性點(diǎn)直接接地，因此可以很有效的防止中性點(diǎn)過電壓的問題。但當(dāng)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，會形成單相短路，從而產(chǎn)生很大的故障電流，甚至?xí)蟠蟪^三相金屬性短路的故障電流的數(shù)值，因此一般只有單機(jī)容量為幾百千瓦，機(jī)端電壓為0.4kV的發(fā)電機(jī)組會采用這種方式[2]。

圖2 大接地電流系統(tǒng)

2.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地方式是目前國內(nèi)機(jī)組比較普遍的接地方式。這種方式在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)串入感性阻抗，用于和發(fā)電機(jī)及其連接母線中的電容發(fā)生并聯(lián)諧振[3]。

當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時，發(fā)電機(jī)及其連接母線對地電容、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地消弧線圈感性阻抗、發(fā)電機(jī)中性電消弧線圈電阻形成并聯(lián)回路，其等效電路圖見圖3。

圖3 等效電路圖

其中R為消弧線圈的電阻。

理論上，在消弧線圈性能參數(shù)與系統(tǒng)電容匹配的情況下，電感電流能夠很好的補(bǔ)償接地電容電流，使接地電流接近于零，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組。

2.4 中性點(diǎn)高阻接地方式

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式是近年來大中型水輪機(jī)組和抽水蓄能電站廣泛采用的中性點(diǎn)接地方式。這種接地方式主要由兩種類型，一種是通過中性點(diǎn)串聯(lián)數(shù)值為上百歐至幾千歐的高電阻接地；另一種采用中性點(diǎn)串聯(lián)配電變壓器二次側(cè)連接電阻接地。[5]清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)組采用中性點(diǎn)經(jīng)過接地變壓器二次線圈帶電阻的高阻接地方式，如圖4所示。

圖4 高阻接地方式

值得一提的是，抽水蓄能電站在背靠背啟動運(yùn)行模式下，如果兩臺機(jī)組同時高阻接地，如圖5所示。

則在機(jī)組正常運(yùn)行時，機(jī)組的不平衡電流將反應(yīng)到機(jī)組中性點(diǎn)上，過大的不平衡電流將對定子繞組造成損傷，并可能造成95%定子繞組單相接地保護(hù)和100%定子繞組接地保護(hù)誤動作；如果在這個時候發(fā)生單相接地短路故障，則拖動機(jī)和起動機(jī)的中性點(diǎn)電位同時發(fā)生偏移，那么流過接地故障點(diǎn)的電流將是2臺機(jī)組的電容電流和接地電阻電流之和，將大大超出單機(jī)運(yùn)行時的故障電流，造成定子繞組損傷。因此在背靠背啟動模式下，一般選擇斷開拖動機(jī)組的接地隔離開關(guān)，以限制接地短路故障電流，并防止保護(hù)誤動作。

圖5 兩臺機(jī)組同時高阻接地

3 中性點(diǎn)高阻接地設(shè)備校驗

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電電動機(jī)接地保護(hù)的章節(jié)的描述，為了限制發(fā)電電動機(jī)在單相接地短路故障情況下的機(jī)械應(yīng)力和故障電流對定子繞組造成的損傷，單相接地故障電流一般控制在3A到25A之間，以下針對這個原則對清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)中性點(diǎn)接地設(shè)備參數(shù)進(jìn)行校驗。

3.1 接地變壓器

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)StdC37.102-2006，接地變壓器一次側(cè)電壓可等于或大于發(fā)電電動機(jī)額定相電壓。清蓄發(fā)電電動機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器一次側(cè)電壓采用發(fā)電電動機(jī)額定相電壓，即UNP=15.75kV。二次側(cè)電壓采用500V,即UNS=500V。

3.2 接地電阻

一般認(rèn)為，當(dāng)作用于發(fā)電電動機(jī)的過電壓不宜超過2.6倍的額定相電壓時，機(jī)組是安全的。而通過理論計算及仿真分析，當(dāng)中性點(diǎn)接地設(shè)備吸收的有功功率大于或者等于對地電容消耗的功率時，發(fā)電機(jī)弧光過電壓及發(fā)電機(jī)故障甩負(fù)荷過電壓不會超過發(fā)電電動機(jī)額定相電壓的2.6倍，也就是在安全范圍內(nèi)。

于是有以下公式：

(1)

RNP為接地電阻反應(yīng)到接地變壓器一次側(cè)的電阻值；

RT為接地變壓器的電阻，RT≤10%RNP；

XT為接地變壓器的交聯(lián)電抗，XT≤25%RNP。

Co為15.75kV系統(tǒng)的每相的對地電容：其中發(fā)電電動機(jī)相對地電容Cogen=0.85uF；主變15.75kV側(cè)線圈對地電容Cotfo1=0.0125uF；15.75kV母線接地電容CoIpb=0.0039uF，廠用變壓器及勵磁變壓器15.75kV側(cè)的電容Cotfo2=0.01uF+0.01uF=20nF；機(jī)組斷路器Cobreaker=0.13uF。

于是當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時，有：

Co=Cogen+Cotfo1+Coipb+Cotfo2+Cobreaker+CoIpb=1.05uF。

機(jī)組同期以前，有：

Co=Cogen+Cobreaker=1.03uF。

背靠背啟動時，有：

Co=2Cogen+Cobreaker+Cotfo1+Cotfo2=1.84uF。

根據(jù)(式1)，有：

XT≤25%RNP=118.2Ω。

發(fā)電機(jī)發(fā)生最大單相接地短路時，故障電流為：

其中，Z1、Z2可忽略，

因此要將故障電流控制在25A以下，則：

Z0≥1146Ω。

RNP≥413.5Ω。

因此接地電阻反應(yīng)到接地變壓器一次側(cè)的電阻值RNP應(yīng)符合：

498.4Ω≥RNP≥413.5Ω。

則接地變壓器二次側(cè)允許的最大阻值為：

接地變壓器二次側(cè)允許的最小阻值為：

4 結(jié) 論

[1]張琦雪，王維儉，王祥珩．三峽大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻的合理選擇[J]．繼電器，2005，33(15)：5-8．

[2]吳聚業(yè)．600Mw發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器參數(shù)分析[J]．電力設(shè)備，2005，6(04)：34-37．

[3]殷建剛，蔡敏，彭豐，等．發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地的配置方法[J]．湖北電力.2002，26(03)：28-30.

1007-7596(2017)06-0104-03

2017-05-20

陳涵(1985-)，男，浙江浦江人，工程師。

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