大型發電機中性點采用高阻抗配電變壓器接地的配置方法

陳渝士，陶亦壽

（長江科學院武漢長江儀器自動化研究所，武漢 430010）

大型發電機中性點采用高阻抗配電變壓器接地的配置方法

陳渝士，陶亦壽

（長江科學院武漢長江儀器自動化研究所，武漢 430010）

大型發電機定子繞組對地電容較大，發生定子單相接地故障時電容電流也較大，采用中性點經配電變壓器接地方式，能起到對過大故障電流限制的作用。采用高阻抗變壓器作為中性點接地變壓器的配置方法，利用變壓器內在電抗生成的電感性電流，對故障電容電流進行部分補償，在滿足抑制故障暫態過電壓要求的同時，將接地故障電流限制在允許范圍內，解決了配置大型發電機中性點接地裝置中常見的接地故障電流過大問題。

發電機中性點；接地裝置；高阻抗變壓器；配置方法

1 概 述

發電機中性點經配電變壓器接地方式是目前廣泛采用的一種高電阻接地方式。該方式以一臺單相配電變壓器作為中性點的接地變壓器，而中性點經變壓器一次側接地，變壓器二次側接入一合適的負載電阻。這種接地方式的主要原理及功能是：在發電機發生定子單相接地故障，中性點出現對地零序電壓時，發電機電壓系統對地電容通路中將產生電容性電流，引發故障暫態過電壓，危及發電機定子繞組安全；此時，接地裝置在中性點對地電壓作用下投入工作，變壓器二次側所帶負載電阻產生有功功率損耗，將事故暫態過電壓限制在允許范圍內，防止定子繞組絕緣被擊穿，同時，繼電保護電路從變壓器二次側獲取事故信號和工作電源，在其配合下，斷路器快速跳閘，切除機組，防止事故擴大。

根據ANSI／IEEEC37.101《發電機接地保護導則》和ANSI／IEEE C62.92《同步發電機中性點接地應用導則》，發電機中性點采用配電變壓器接地方式應遵循以下原則：

（1）取中性點接地電阻值等于發電機電壓系統三相對地容抗值，或中性點對地電阻性電流值等于電容性電流值，使限制故障暫態過電壓和故障電流的綜合效果達到最佳，此時暫態過電壓峰值約為2.6倍相電壓。

（2）接地故障電流限制在允許范圍內。

按照以上原則進行接地裝置配置的基本方法是：按發電機的額定電壓、發電機電壓回路對地電容等基本參數計算發電機單相接地故障電容電流；按照流經接地裝置的電阻性電流等于故障電容性電流的原則，計算變壓器運行容量并考慮其短時過載能力后選型；按照中性點對發電機電壓系統三相對地容抗相等原則計算和確定變壓器二次側所需配置的負載電阻值并計算所需功率；完成其他設計并驗算［1，2］。為簡化設計，該方法僅考慮變壓器自身阻抗中的內阻部分（計入負載電阻），而忽略其中感抗部分的影響，這是因為一般變壓器的感抗較小，對計算結果影響不大，且其作用是減小電容性電流，忽略該因素只會增大設計的安全裕度。

在上述設計方法中，接地故障電流在發電機參數已定的情況下是一個定值，設計中僅作驗算，對于一般中小型發電機，由于發電機電壓系統對地電容值不大，發生定子單相接地短路故障電流值一般也不會太大，不會構成對機組的損傷，在這種情況下，采用以上設計方法是可行的。

對于一些大型發電機組，由于發電機電壓系統對地電容較大，發生定子單相接地故障時的電容電流值較大，再加上流經接地裝置的電阻性電流，總的接地短路故障電流往往遠超出允許范圍，如不加限制，則過大的接地故障電流可能導致定子燒損，甚至會很快擴展為其他健全繞組相間或匝間短路，因此亟須引起高度重視。

解決大型發電機中性點經配電變壓器接地方式出現接地故障電流過大問題的一個有效措施，是在接地裝置中增加適量的電感，以便生成與電容性電流相位相反的電感性電流，對過大的故障電容性電流進行部分補償，使總的接地故障電流降至允許范圍。

加入電感量的方法可采用電抗器；另一可行方法是將所需阻抗值用于增大配電變壓器的阻抗來實現，即直接采用高阻抗變壓器。這2種方法作用等效，后者可以減少電抗器的安裝及維護工作量，減少運行成本［3］，因而更合理。

本文結合某工程700 MW級發電機組中性點接地裝置的設計，簡要介紹采用高阻抗配電變壓器配置發電機中性點接地裝置中關于變壓器阻抗和負載電阻2個主要參數的設計取值方法。

2 中性點接地裝置配置的原理簡介

發電機中性點配置高阻抗配電變壓器接地時，發生定子單相接地故障狀態的簡化等效電路如圖1。為簡化討論，簡化等效電路及以下分析計算均按接地變壓器一次側進行。

圖1 發電機中性點高阻抗接地方式等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit of the generator neutral grounding w ith high im pedance

圖1 中各電流值與相關參數的關系如下式：

式中IE為中性點接地故障電流。

IE由IC，IL和IR3部分組合而成，IC在發電機參數已定的情況下是一個定值，IL和IR是流經接地裝置電流的2個分量，可起到調節接地故障IE大小的作用。IL和IR的大小主要由變壓器阻抗和負載電阻值2個參數決定，設計時須進行綜合調整。

根據中性點接地裝置的配置原則，有關參數須滿足以下設計條件：

式中：IC0＝（IC－IL）為凈電容性電流（接地故障電流中電容電流）；IElim為接地故障電流限制值（一般為3～25 A，大型機組不超過30 A）。

將式（1）代入式（2），可求解得出滿足接地裝置設計條件的感抗與負載電阻這2個參數的取值范圍，在此基礎上可進一步計算和選定接地變壓器的阻抗電壓百分比及二次負載電阻器的電阻值。

以上直接求解方法比較繁瑣，且求解結果還需結合相關系列標準進行調整，因此采用先預選參數再驗算和調整的設計方法更為簡便，即根據基本設計條件，按照接地裝置的基本配置方法和設計經驗，初選出待定參數，經設計和驗算后，再對初選參數進行調整，從而得到滿意結果。

3 大型發電機組中性點接地裝置設計

發電機中性點接地裝置的設計包括電氣參數計算、設備容量計算與選型、結構設計等多項內容，本文簡要介紹其設備配置中對接地變壓器阻抗（uk）和負載電阻（R）2個主要參數的計算與取值過程。

3.1 發電機參數

發電機額定值：功率700 MW，電壓U＝20 kV；

發電機回路單相對地電容（含母線及主變低壓繞組）：C＝3.68（μF／?）

發電機電壓系統三相對地容抗：XC＝1／（3ωC）＝288.47（Ω）

發電機單相接地故障電流（電容性電流）：IC＝

3.2 接地變壓器

型式：環氧澆注單相銅芯干式變壓器。

額定電壓：一次側U1n＝20 kV；二次側0.9 kV。

變壓器容量：S＝125 kVA（取變壓器一次側電流值等于發電機電壓回路的故障電容電流，并考慮變壓器短時工作過載能力后而進行計算選定）。

絕緣材料等級：H級；

阻抗電壓百分比：uk＝7%（初選）；

負載損耗：Pk＝2.25 kW；

3.3 負載電阻

負載電阻：R＝XC＝288.47（Ω）（負載電阻為二次側電阻器電阻與變壓器內阻之和歸算至一次側的電阻值，按發電機電壓系統三相對地容抗值初選）。

3.4 計算分析

圖1中各電流值按初選參數計算結果如下：

接地故障電流IE超出允許范圍，不符合式（2）設計條件要求，需要重新調整初選參數。

3.5 參數調整與驗算

圖2反映在設計參數取值范圍內，接地故障電流與變壓器阻抗及負載電阻間的關系。

圖2 接地故障電流、變壓器阻抗及負載電阻間關系Fig.2 Relationship among the ground-fault current，transformer impedance，and load resistance

從圖2可以看出：接地故障電流隨變壓器阻抗電壓百分比的提高會明顯下降，其原因就是電感性電流抵消了部分電容性電流；對應同一變壓器阻抗等級的曲線，接地故障電流會隨著負載電阻的減小而呈現下降趨勢，這是因為減小電阻降低了接地裝置的總阻抗，使得流經接地裝置的電流增大，而電阻的減小又使電感部分所占份額增大，其效果是使接地故障電流呈下降趨勢。但是負載電阻也不能過于減小，否則電阻性電流與電容性電流之比過大，不符合兩者的最佳綜合效果，導致設備負荷容量的無謂增大。

按照圖2曲線變化規律，對設計參數調整如下：變壓器阻抗電壓百分比uk從7%升至8%，在負載電阻不變的情況下接地故障電流仍稍大于30 A，如變壓器阻抗再提高，則增加了變壓器的制造難度和成本，故適當減小負載電阻值，進一步下調接地故障電流。

最終調整結果：變壓器阻抗電壓百分比取uk＝8%；負載電阻值取初選值的95%，即R＝0.95XC＝274.05（Ω）。

驗算結果：

符合式（2）設計條件要求，參數取值合理。

4 結 論

近年來，隨著我國電力工業快速發展，系統裝機容量不斷增加，大型發電機組越來越多地采用中性點經配電變壓器接地方式。對于大型發電機（尤其是水輪發電機），由于定子繞組的對地電容較大，發生定子單相接地故障時的對地電容性電流較大，因而配置這類中性點接地裝置時，如何將發電機發生定子單相接地時的總故障電流限制在合適的范圍之內，以避免發電機定子受損，成為設計需要優先考慮的問題。

本文介紹的采用高阻抗變壓器作為中性點接地變壓器的配置方法，利用高阻抗變壓器的內在電感所生成的電感性電流補償部分中性點故障電容性電流，使發電機發生單相接地短路故障時，系統暫態過電壓和發電機發生定子單相接地時的總故障電流均限制在允許范圍內，解決了配置大型發電機中性點接地裝置中常見的接地故障電流過大問題。該方法已成功應用于700 MW級發電機中性點接地裝置設計之中。

［1］ 薛紫球.大型發電機中性點接地裝置的研制［J］.人民長江，1995，26（3）：16－21.（XUE Zi-qiu.Development of Neutral Earthing Devices for Large Generators［J］.Yangtze River，1995，26（3）：16－21.（in Chinese））

［2］ 陶亦壽，金 逸，陳渝士，等.天堂抽水蓄能電站發電電動機中性點接地裝置研制［J］.水力發電，2005，31（12）：65－67.（TAO Yi-shou，JIN Yi，CHEN Yu-shi，et al.Research＆Production of the Generator Neutral Point Earth Device of Tiantang Pump-Storage Power Station［J］.Water Power，2005，31（12）：65－67.（in Chinese））

［3］ 王維儉，桂林，王祥珩，等.大型發電機中性點接地方式的反思與憂慮——致各大發電公司、發電廠和設計院同行［J］.電力設備，2007，8（11）：1－4.（WANG Wei-jian，GUI Lin，WANG Xiang-heng，et al.Reconsideration and Anxiety of Neutral Grounding Mode for Large Generator［J］.Electrical Equipment，2007，8（11）：1－4.（in Chinese））

［4］ 樂啟昌，樂蕭彤.高阻抗變壓器的應用［J］.黑龍江電力，2001，23（6）：442－445.（LE Qi-chang，LE Xiaotong.Application of High Impedance Transformer［J］.Heilongjiang Electric Power，2001，23（6）：442－445.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Configuration of Large Generator Neutral Grounding Through High Im pedance Distribution Transformer

CHEN Yu-shi，TAO Yi-shou
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430011，China）

The excessive fault current induced by stator single-phase earth faultand big ground capacitance of stator winding of large generator can be restricted by neutral grounding through distribution transformer.This paper introduces a configuration method of generator neutral grounding device with high impedance distribution transformer.The fault capacitive current is partly compensated by the inductive current generated from the internal reactance of the transformer，and the ground-fault current is limited within an allowable range while the fault transient overvoltage is restrained.

generator neutral；grounding device；high impedance transformer；configuration method

TM31

：A

1001－5485（2011）09－0068－03

2011-06-17

陳渝士（1958-），女，四川通江人，工程師，從事機電設備設計與制造工作，（電話）027-82829765－201（電子信箱）chenys417＠sina.com。