1 000 MW量級水輪發(fā)電機中性點電壓漂移影響因素及接地裝置參數(shù)優(yōu)化分析

周 龍， 熊 斌， 丁樹業(yè)， 駱 林， 汪泰安

(1.南京師范大學電氣與自動化工程學院， 江蘇 南京 210046； 2.中國科學院電工研究所， 北京 100190； 3.中國科學院大學， 北京 100049； 4.東方電氣集團東方電機有限公司， 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助推國家“雙碳戰(zhàn)略”的實施以及電網(wǎng)安全具有重要價值。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)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)暫態(tài)的影響越來越大[2]，導致水電建設中水輪發(fā)電機組的運行環(huán)境也將變得越來越復雜[3]，其運行狀況對整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響也越來越大[4]，因此對水電建設中大型水輪機組的安全穩(wěn)定運行要求也越來越高。

為了充分發(fā)揮水力資源的規(guī)模效益，我國水電建設中發(fā)電機單機容量不斷提高，單機電壓和定子繞組對地電容也隨之增大，因此發(fā)電機發(fā)生單相接地故障時流經(jīng)定子繞組對地電容的電流值不斷增大，進而導致流經(jīng)故障點處電流值大小超過限定值。為避免非對稱故障對發(fā)電機的運行安全造成嚴重影響，需要嚴格控制故障點處接地電流，因此大型水輪發(fā)電機加持中性點接地裝置對機組安全運行十分必要。

我國現(xiàn)有大型水輪發(fā)電機，其中性點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]。但是大型機組的運行實踐表明，這些接地方式對于1 000 MW量級大型水輪發(fā)電機都不適用[7]。因此針對1 000 MW量級大型水輪發(fā)電機，采用一種組合式接地方式(即在中性點接地變壓器低壓側負載電阻兩端并聯(lián)一個電感)，既可以利用電感補償電容電流，同時可以抑制暫態(tài)過電壓。但是研究表明，隨著我國水電建設中發(fā)電機單機容量的不斷增大，三相定子繞組對地電容不對稱度也增大，導致采用中性點經(jīng)組合式接地方式后，中性點電壓漂移明顯增加[8]。

由于水輪發(fā)電機獨特的運行方式，發(fā)電機中性點位移電壓的升高，會加大發(fā)電機三相電壓的不對稱性[9]，進而導致發(fā)電機輸出端電壓幅值大于電網(wǎng)電壓，對發(fā)電機并網(wǎng)過程造成嚴重不良影響。而且中性點電壓漂移的顯著增大，容易引發(fā)定子繞組單相接地故障。當發(fā)生定子繞組單相接地故障時，中性點還將會產(chǎn)生較高的暫態(tài)位移電壓，中性點暫態(tài)位移電壓過高將增大發(fā)電機附加損耗、干擾電網(wǎng)通信系統(tǒng)等，嚴重影響發(fā)電機以及配電網(wǎng)的正常運行[10]。

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

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

因此，本文基于中性點經(jīng)電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式，首先分析了1 000 MW量級大型水輪發(fā)電機中性點電壓漂移影響因素，然后以降低中性點電壓漂移為準則，提出一種中性點組合式接地裝置參數(shù)選擇方式，最后通過準分布電容參數(shù)處理方法搭建水輪發(fā)電機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，驗證了該參數(shù)選取方法的可行性。

2 中性點接地方式發(fā)展

在水電建設中，發(fā)電機中性點接地方式的選擇是涉及電力系統(tǒng)安全運行的一個關鍵因素。發(fā)電機中性點的接地方式，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。對于前兩種接地方式，若發(fā)電機定子繞組發(fā)生單相接地故障，流經(jīng)故障點電流值很大，難免會造成發(fā)電機的內(nèi)部損失，因此已被市場淘汰。對于第三種接地方式，若發(fā)電機發(fā)生定子繞組單相接地故障，會引起較高過電壓，威脅非故障繞組的絕緣安全。綜上，如今的水電建設中大型水輪機組中性點多采用上述后兩種接地方式[16]。

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

采用中性點經(jīng)消弧線圈接地方式可以有效地補償對地電容電流，因此可以將故障點處流經(jīng)電流嚴格控制在合理范圍內(nèi)，減輕故障電流對發(fā)電機內(nèi)部的損傷。但是實際運行結果表明，水輪發(fā)電機采用該接地方式發(fā)生單相接地故障時可引起3.8倍暫態(tài)過電壓，危及定子繞組健全相，甚至導致單相接地故障發(fā)展成更為嚴重的相間故障[17]。

中性點經(jīng)高阻接地方式可以有效降低暫態(tài)過電壓，但在水電建設中，發(fā)電機單機容量越來越大，進而導致流經(jīng)定子繞組電容電流也越來越大，而中性點經(jīng)高阻接地非但不能補償電容電流，還會導致單相接地故障電流增大，嚴重時會燒損鐵心[18]。

針對1 000 MW量級大型水輪發(fā)電機，按照相關標準既要求暫態(tài)過電壓控制在2.6倍相電壓以下，同時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，白鶴灘水電站應用了組合式接地方式，即在接地配電變壓器低壓側負載電阻上并聯(lián)一個小電感，這樣既可以補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。

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

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

3 中性點電壓漂移影響因素分析

大型水輪發(fā)電機定子繞組線圈數(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)電機在中性點不接地情況下就會出現(xiàn)零序性質的位移電壓，當發(fā)電機中性點接入接地裝置后，在此電壓的作用下，中性點電壓會產(chǎn)生嚴重的漂移現(xiàn)象，此時若定子繞組發(fā)生單相接地故障，中性點電壓值將超過相電壓，這種現(xiàn)象不僅會導致基于基波零序電壓為判據(jù)的定子單相接地保護動作值不得不提高、對發(fā)電機和接入電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成不利影響，而且情況嚴重時還會危害絕緣安全。

中性點接地方式的選取受機組參數(shù)的直接影響，本文調查統(tǒng)計了部分大型水輪發(fā)電機的參數(shù)見表1。

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

表1中，P為水輪發(fā)電機額定有功功率；U為發(fā)電機額定電壓；cosφ為額定功率因數(shù)；f為額定頻率；CΣ為發(fā)電機三相對地總電容，不僅包括發(fā)電機定子繞組三相對地電容值，還包括發(fā)電機電壓設備及主變壓器低壓側對地電容值；RS為定子繞組每相電阻測量值；LS為定子繞組每相漏電感。

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

3.1 不對稱系數(shù)影響分析

3.1.1 理論分析

圖2 中性點不接地時水輪發(fā)電機等效電路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)電機三相定子繞組對地電容相等，則中性點位移電壓為0；而實際發(fā)電機中三相對地電容并不平衡，其中性點位移電壓與三相對地不平衡程度有關。

3.1.2 仿真分析

為了避免接地參數(shù)改動的影響，中性點接地參數(shù)選取如下：

(1)當發(fā)電機中性點接地電阻值等于或近似等于從發(fā)電機星形中性點看入的對地容抗值時，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)電機三相定子繞組對地容抗值。

(2)為了限制接地故障電流，接地電阻所并聯(lián)的電抗LN采用與對地電容完全補償?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，臉皺得跟個猴子似的，眼睛都沒有睜開。我趁護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，老爹鐵青著一張臉。

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

(3)

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

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

由圖3知，中性點位移電壓受定子繞組對地電容不對稱系數(shù)影響。當電容不對稱系數(shù)取值為0時，位移電壓僅有1.575 2 μV，幾乎可認為不存在；當對地電容出現(xiàn)微小的不平衡時，位移電壓突然出現(xiàn)，且隨著不對稱系數(shù)的提高，中性點的位移電壓呈現(xiàn)線性增長的趨勢；當不對稱系數(shù)達到20%時，位移電壓可達1 324.6 V。因此，考慮到保護安全，以及留有5%的誤差范圍，應保證不對稱系數(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

中性點接入接地裝置后，水輪發(fā)電機等效電路如圖4所示。

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

(4)

解得：

(5)

式中，C∑為三相對地總電容，聯(lián)立式(2)和式(5)可得：

(6)

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

3.2.2 仿真分析

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

通過改變接地電阻、電抗值，得到中性點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)變化對位移電壓影響的整體趨勢，為了進一步獲得接地電阻和電抗對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/定子繞組對地容抗”、“接地電阻所并聯(lián)電抗/定子繞組對地容抗”為橫坐標，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)對于不同電抗值下的中性點位移電壓，當電抗值固定時，位移電壓呈現(xiàn)出較為一致的變化趨勢，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)對于不同電阻值下的中性點位移電壓，當電阻值固定時，位移電壓隨接地裝置電抗值增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，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地容抗值相等時取得極大值。

4 接地裝置參數(shù)選取及可行性驗證

由圖6、圖7可以看出，當電感取值大于0.4LN時，中性點位移電壓隨接地電阻的增大而大幅度增加；當接地電阻取值大于0.8RN時，中性點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，可適當取小電阻、電抗值，但同時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)電機三相定子繞組對地容抗值的7/10，接地電阻所并聯(lián)的電抗值取值為發(fā)電機三相定子繞組對地容抗值的3/10。

考慮到接地裝置參數(shù)的選取要兼顧中性點電壓漂移、接地故障電流、暫態(tài)過電壓等多個因素的影響，因此采用準分布電容處理方法，搭建水輪發(fā)電機單相接地故障模型如圖8所示，對上述接地參數(shù)進行分析驗證。由于不同故障點對地電位不同，接地點越靠近機端，其故障程度越嚴重[20]，因此假設故障點發(fā)生在機端出線處，得到發(fā)生單相接地故障時故障接地電流和三相暫態(tài)電壓隨時間變化曲線分別如圖9、圖10所示。

圖8 單相接地故障準分布電容模型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準范圍25 A之內(nèi)，根據(jù)IEEE Std C37.101—2006[21]，可以滿足相關標準要求。

由圖10可以看出，中性點經(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 結論

本文研究了1 000 MW量級大型水輪發(fā)電機中性點經(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，并通過準分布電容方法搭建了水輪發(fā)電機單相接地故障模型，驗證了其可行性。從研究結果可以看出：

(1)中性點電壓漂移受三相定子繞組對地電容的不對稱性和中性點接地裝置參數(shù)的影響，其位移電壓與對地電容不對稱系數(shù)呈線性正相關，即隨著不對稱系數(shù)的增大而增大。因此，對于實際系統(tǒng)，設計上應盡可能降低設備電容不對稱。

(2)大型水輪發(fā)電機中性點經(jīng)接地電阻并聯(lián)電抗組合式接地方式參數(shù)選擇時，將接地電阻取值為發(fā)電機三相定子繞組對地容抗值的7/10，接地電阻所并聯(lián)的電抗值取值為發(fā)電機三相定子繞組對地容抗值的3/10，可以使得中性點漂移有效降低，并同時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)電機機組裝配中的中性點接地裝置參數(shù)選擇提供參考。