水利工程論文-三峽發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及接地裝置選型.doc

水利工程論文-三峽發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及接地裝置選型摘要：通過三峽左岸電站水輪發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的選型進(jìn)行了計(jì)算，指出發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的參數(shù)選擇必須與發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)相配合。在發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電氣強(qiáng)度有較高安全系數(shù)的情況下，接地電阻的選取應(yīng)主要服從與定子一點(diǎn)接地保護(hù)的配合及限制接地故障電流的需要。關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式變壓器定子保護(hù)三峽左岸電站的14臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)分別由ABB和阿斯通、西門子和通用電氣加拿大公司兩方提供，在所投報(bào)的發(fā)電機(jī)技術(shù)投標(biāo)方案中，對(duì)于發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式均采用了通過單相接地變壓器接地的方式，沒有采用國內(nèi)通常采用的經(jīng)消弧線圈接地方式。為此。有必要對(duì)三峽電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器接地的方式進(jìn)一步探討，對(duì)接地變壓器的主要參數(shù)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，對(duì)發(fā)電中性接地方式與發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)的配合問題進(jìn)行分析。1發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇三峽左岸電站機(jī)組的招標(biāo)文件中對(duì)于發(fā)電機(jī)中性接地方式?jīng)]作硬性要求，賣方可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績推薦采用接地變壓器接地方式或消弧線圈接地方式，但要求接地方式的選擇應(yīng)和發(fā)電機(jī)的100%范圍定子一點(diǎn)接地保護(hù)相關(guān)聯(lián)，以保證當(dāng)發(fā)電機(jī)一次測(cè)系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，在發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)配合下，能夠以盡可能短的時(shí)間切除接地故障，防止發(fā)電機(jī)定子鐵芯和定子繞組受損。1.1發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，接地故障電流的大小主要取決于定子繞組每相對(duì)地電容值的大小及接地點(diǎn)的位置。ABB公司設(shè)計(jì)的三峽電站發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值為1.81f，西門子公司和加拿大GE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值為1.4f，因此可在此基礎(chǔ)上對(duì)三峽電站發(fā)電機(jī)繞組一點(diǎn)接地故障電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下(以ABB的發(fā)電機(jī)為例)：發(fā)電機(jī)定子繞組單相對(duì)地電容值Cw1.81f發(fā)電機(jī)出口至升壓主變低壓繞組間每相對(duì)地等值電容Ct0.2f(經(jīng)驗(yàn)值)總的每相對(duì)地電容值C0=Cw+Ct=2.01f從發(fā)電機(jī)端看人的每相對(duì)地等值容抗：Xc01/wC0=1/2fC0=1/3142.0110-6=1.584.4(/相)從發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)看入的對(duì)地容抗：XcnXc0/3528(/相)三峽機(jī)組在發(fā)電機(jī)端發(fā)生定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值為(取發(fā)電機(jī)額定電壓為Ue20kV)：J0=Ue/(3Xcn1/2)20000/(31/2528)21.86A同理可求得西門子公司和加拿大GE公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)(定子繞組單相對(duì)地電容值為1.4f)發(fā)生機(jī)端定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流值為17.4A。根據(jù)上面計(jì)算的結(jié)果，三峽機(jī)組在機(jī)端發(fā)生定子繞組一點(diǎn)接地故障時(shí)的故障電流已遠(yuǎn)超過了有關(guān)規(guī)程規(guī)定的允許值，因而須按照ANSI/IEEEC37.101“發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則”的要求在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與地之間接入接地變壓器或消弧線圈來限制定子一點(diǎn)接地時(shí)的故障電流并在發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置的配合下快速切除接地故障，以防止發(fā)電機(jī)定子鐵芯燒損。1.2發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇三峽電站水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇主要依據(jù)以下兩點(diǎn):根據(jù)IEEE有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推薦。對(duì)于三峽電站這種定子繞組對(duì)地電容比較大的發(fā)電機(jī)所適用的中性點(diǎn)接地方式應(yīng)保證發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)中性點(diǎn)的暫態(tài)過電壓不超過分許值且與最大接地故障電流的時(shí)間特性相適應(yīng)。根據(jù)這一原則進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算的結(jié)果表明，對(duì)于三峽發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器的高電阻接地方式是合適的。中標(biāo)廠商在其大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式方面的經(jīng)驗(yàn)。ABB、加拿大GE和西門子公司都有過制造與三峽機(jī)組相近容量水輪發(fā)電機(jī)的良好業(yè)績，在這幾家公司及西方其他水輪發(fā)電機(jī)制造廠商所生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)中，基本上都采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器接地的方式，運(yùn)行情況良好。1.3中性點(diǎn)接地電阻值的選取根據(jù)理論分析計(jì)算，當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻值等于或近似于從發(fā)電星形中性點(diǎn)看入的對(duì)地容抗值時(shí)，限制定子一點(diǎn)接地故障時(shí)的定子繞組弧光暫態(tài)過電壓和接地電流的綜合性能較好。當(dāng)然由于發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容值的測(cè)量及計(jì)算會(huì)有誤差，因此在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)于限制接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過電壓和接地故障電流有最佳效果的中性點(diǎn)接地電阻值還需由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)決定。表1是在幾種大型水輪發(fā)電機(jī)定子織組對(duì)地電容值下當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)選取不同阻值的接地電阻時(shí)發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障的發(fā)電機(jī)定子繞組弧光暫態(tài)過電壓的關(guān)系。附表對(duì)比方案123接地電流最大中性點(diǎn)接地電Xcn/Rn弧光暫態(tài)過Xcn/Rn弧光暫態(tài)過Xcn/Rn弧光暫態(tài)過值IEmax(A)阻Rn()電壓倍數(shù)電壓倍數(shù)電壓倍數(shù)523100.253.50.134.00.143.91011550.53.00.253.50.283.4157700.762.70.383.20.423.2205770.982.50.513.00.552.9254621.272.40.642.80.692.7303851.522.350.762.70.832.6定子繞組每相對(duì)地電容Cw1.8f3.6f3.22f中性點(diǎn)對(duì)地等值容抗Xcn()587294.5320圖1是附表中方案1對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線(對(duì)應(yīng)于定子繞組相對(duì)地電容值為1.81f的情況)。由附表及圖1中可見，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻Rn值并不是越大越好，當(dāng)Rn值過大時(shí)和定子一點(diǎn)接地故障時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較高的弧光暫態(tài)過電壓，這將對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣造成威脅。隨著發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻Rn值的減小，發(fā)生接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過電壓倍數(shù)將下降，但當(dāng)Rn減小至低于Xcn的值后發(fā)生接地故障時(shí)，弧光暫態(tài)過電壓倍數(shù)的下降將變得十分緩慢；相反地由于中性點(diǎn)接地電阻值的過小將不可能將接地故障電流限制在允許的范圍內(nèi)，這樣接地電流將會(huì)燒損發(fā)電機(jī)定子鐵芯。但實(shí)際應(yīng)用中，接地電阻的大小還應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組的電氣絕緣水平來確定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子繞組電氣絕緣強(qiáng)度有較高的安全系數(shù)且中性點(diǎn)接入接地電阻后發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)的弧光暫態(tài)過電壓不會(huì)造成定子繞組絕緣損壞時(shí)，則接地電阻值的選取則主要從減小接地故障電流值為出發(fā)點(diǎn)，即接地電阻值可以選到圖1中橫坐標(biāo)的0.5以下區(qū)域。2發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的選型計(jì)算圖1附表中方案1的圖示在發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)接入接地變壓器不僅是滿足限制接地故障電流和弧光暫態(tài)過電壓的要求，而且還要滿足與定子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置相配合的要求，因?yàn)槎ㄗ右稽c(diǎn)接地故障最終要靠定子一點(diǎn)接地保護(hù)的正確動(dòng)作來切除。下面就ABB公司的投標(biāo)方案進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。定子一點(diǎn)接地保護(hù)與接地變壓器的連接方式如圖2所示。ABB公司所采用的100%定子接地故障保護(hù)(64S)需要一個(gè)向接地故障點(diǎn)注入低頻低壓監(jiān)測(cè)信號(hào)的REX010型裝置和REX011型裝置，其與接地變壓器的連接地方式如圖2所示。圖2中，由線圈N1和N2組成的接地變本體及接地變副邊電阻(Res十Rps)為接地變壓器的供貨范圍，其余為定子一點(diǎn)接地保護(hù)的供貨范圍?？紤]到與定子接地故障保護(hù)配合后接地變壓器選型計(jì)算過程如下：圖2接地保護(hù)與接地變的連接計(jì)算用的基本數(shù)據(jù)：發(fā)電機(jī)額定電壓Ugen=20kV，接地變?cè)咁~定電壓Ule20/31/2kV，接地變副邊額定電壓Ule100V，則接地變的變比為：N1/N2=20kV/(31/2100V)115.52.1滿足限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)最大接地故障電流的需要根據(jù)IEEE“發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則”的規(guī)定，接地變壓器的副邊電阻RES和RPS應(yīng)限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)星形中性點(diǎn)的最大接地故障電流Iemax不超過20A，故接地變副邊的總電阻應(yīng)為：RES+RPSUgen/31/2Iemax(N2/N1)2代入所給數(shù)據(jù)求得：RES十RPS0.04332.2滿足與定子接地保護(hù)裝盲動(dòng)作值整定配合的需要條件一：130(N2/N1)2RPS500(N2/N1)2條件二：RES4.5Rps條件三：0.7k(N2/N1)2RES5k(N2/N1)2按照我國繼電保護(hù)配置規(guī)程的規(guī)定，對(duì)于三峽這樣的大型水輪發(fā)電機(jī)當(dāng)單相接地故障電流達(dá)到Iemax5A時(shí)，定子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳閘，依據(jù)這一原則求得的接地變副邊電阻為：RES十RpsUgen/31/2Iemax(N2/N1)220103/31/25(115.5)20.173滿足條件一、二的Rps值為Rps0.0314，取Rps=0.03，則：RES=0.173一RES=0.173-0.03=0.143滿足條件三的RES值為：0.0525RES0.375可見所求得的RES=0.143是滿足該要求的。2.3滿足接地變壓器額定參數(shù)的需要在所選定的接地變壓器副邊電阻RES十Rps=0.173下，發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)流經(jīng)接地變的最大故障電流為(在機(jī)端發(fā)生定子一點(diǎn)接地故障時(shí)出現(xiàn))：IE=Ugen/31/2(RES+RPS)(N2/N1)22103/31/20.173(1/115.5)2=5A考慮1.1倍裕度時(shí)的接地變壓器的容量：PT=UleIE1.1(10/31/2)51.163.5kvA接地變壓器副邊電流：I2IE(N1/N2)5115.5577.5A2.4接地變壓器的計(jì)算參數(shù)與中標(biāo)廠商投標(biāo)參數(shù)的對(duì)照ABB公司在其中標(biāo)方案中所提供的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器主要參數(shù)應(yīng)為：額定電壓比(20000/31/2)/100額定容量：PT64kvA接地電阻：RES十RPS=0.173接地變?cè)咁~定電流：Ie.15A完全符合以上的計(jì)算的結(jié)果。3對(duì)接地電阻選值合理性的分析從以上的計(jì)算結(jié)果可以看出，接地變壓器副邊電阻(RES十Rps)的值為0.173，此電阻折算至接地變?cè)叺陌l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)等值電阻為Rn2307.8，則Xcn/Rn0.23，此值對(duì)應(yīng)與圖1上的暫態(tài)過電壓倍數(shù)為3.5倍左右，也就是說由于接入這一接地電阻當(dāng)發(fā)生定子接地故障時(shí)最高會(huì)產(chǎn)生3.5Ugen的弧光暫態(tài)過電壓。但根據(jù)ABB公司的發(fā)