三峽發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及接地裝置選型

1、三峽發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及接地裝置選型                   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(guò)單相接地變壓器接地的方式，沒(méi)有采用國(guó)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

2、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(wèn)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(jī)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

3、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(guò)程如下

4、(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：   &#

5、160;     Xc01/wC0=1/2fC0=1/314×2.01×10-6        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)：   

6、0;    J0=Ue/(3Xcn1/2)20000/(31/2×528)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(guò)了有關(guān)規(guī)程規(guī)定的允許值，因而須按照 ANSI/IEEE C37.101“發(fā)電機(jī)接

7、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(lái)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)

8、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(guò)電壓不超過(guò)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(guò)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(jī)，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。   

9、;     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(guò)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(guò)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

10、障的發(fā)電機(jī)定子繞組弧光暫態(tài)過(guò)電壓的關(guān)系。    附表                                          &#

11、160;     對(duì)比方案        1        2        3                   &

12、#160;                接地電流最大        中性點(diǎn)接地電        Xcn/Rn        弧光暫態(tài)過(guò)     &#

13、160;  Xcn/Rn        弧光暫態(tài)過(guò)        Xcn/Rn        弧光暫態(tài)過(guò)            值IEmax(A)      &

14、#160; 阻Rn()        電壓倍數(shù)        電壓倍數(shù)        電壓倍數(shù)            5        2310

15、60;       0.25        3.5        0.13        4.0        0.14       

16、60;3.9            10        1155        0.5        3.0        0.25  &#

17、160;     3.5        0.28        3.4            15        770      

18、;  0.76        2.7        0.38        3.2        0.42        3.2    &#

19、160;       20        577        0.98        2.5        0.51       

20、0;3.0        0.55        2.9            25        462        1.27  

21、60;     2.4        0.64        2.8        0.69        2.7         

22、0;  30        385        1.52        2.35        0.76        2.7    &#

23、160;   0.83        2.6                                    定子繞組每相對(duì)

24、地電容Cw        1.8f        3.6f        3.22f            中性點(diǎn)對(duì)地等值容抗Xcn()        587&

25、#160;       294.5        320                                圖1是附表中方案1對(duì)

26、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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。        &#

27、160;                   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(lái)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(guò)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。      &

28、#160;  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   

29、                                  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(guò)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(lái)切除。下面就AB

30、B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(guò)程如下：             

31、                           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

32、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/(31/2×100V)115.5        2.1 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)

33、的最大接地故障電流Iemax不超過(guò)20A，故接地變副邊的總電阻應(yīng)為：        RES+RPSUgen/31/2×Iemax×(N2/N1)2        代入所給數(shù)據(jù)求得：RES十RPS0.0433        2.2 滿足與定子接地保護(hù)裝盲動(dòng)作值整定配合的需要        條件一：13

34、0×(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(guó)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

35、：RES十RpsUgen/31/2×Iemax×(N2/N1)220×103/31/2×5×(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

36、.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)22×103/31/2×0.173×(1/115.5)2=5A        考慮1.1倍裕度時(shí)的接地變壓器的容量：        PT=Ule×IE×