集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置在二滩水电站的应用

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第44卷 第2期2021年2月
Vol.44 No.2Feb.2021
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置在二滩水电站的应用
李张秀，郭玉恒
（雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617100）
摘 要： 发电机中性点采用接地变压器高阻接地方式，可增大零序回路阻尼，避免传递过电压和暂态过电压对发电机的危害，在国内外得到广泛应用，但高阻接地方式不能限制发电机发生单相接地故障时接地点故障电流幅值，反而引起流过接地点的故障电流有增大趋势，不利于故障点熄弧，不利于发电机安全稳定运行，因此需采取措施限制单相接地故障电流幅值。

二滩水电站在2号发电机定子改造时，对中性点接地装置进行了重新选型，采用了一种集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置，实现了发电机单相接地故障电流限制在10~15 A 以内的效果。

此种方式可供同行参考借鉴。

关键词： 电容电流；故障电流；变压器容量；电抗器；效果；影响
中图分类号：TV735 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2021）02-0027-04DOI：10.13599/ki.11-5130.2021.02.009
0 前言
目前，我国大容量发电机中性点接地主要采用消弧线圈接地和接地变压器高阻接地两种方式，两种方式相对独立存在。

消弧线圈接地方式主要作用原理是用电感电流补偿发电机单相接地时流过故障点的电容电流，从而降低故障点的故障电流幅值。

接地变压器高阻接地方式主要作用原理是消除部分残余电荷和电能，限制暂态过电压[1]，增大零序回路阻尼，避免传递过电压和暂态过电压对发电机的危害。

采用接地变压器高阻接地方式在国内外被应用广泛[2]。

二滩水电站发电机单机容量为550 MW，额定电压18 kV，定子绕组单相对地电容1.686 μF，中性点接地方式采用接地变压器高阻接地，变压器额定容量75 kVA，变比14.4 kV/120 V，二次负载电阻8.62×10-2 Ω。

2016年2月，二滩水力发电厂在对2号机组定子改造前期准备工作中，分别在带接地变和不带接地变情况下，模拟发电机出口单相接地故障，对发电机中性点不对称电压、位移电压和单相接地点故障电流幅值进行了测试[3]。

测试数据如表1。

从表1可知，采用接地变压器高阻接地方式，流过故障点的故障电流幅值比没有接入接地变压
器时略大，且两种运行方式的接地点故障电流幅值均超过《电力工程电气设计手册 电气一次》要求的10~15 A [1]。

表1 测试数据记录表
测试项目测试值试验条件发电机中性点不对
称电压289.52 V
中性点不带接地变发电机中性点位移
电压
306.12 V
中性点带接地变；不超过标准要求的10%额定相电压，即1039.3V
发电机空载时定子单相接地故障电流接地残余电流为17.154 2 A，
接地变一次侧电流为6.989 3 A
投入接地变，发电
机出口封闭母线一
相接地发电机空载时定子单相接地故障电流17.063 9 A
不投接地变，发电机出口封闭母线一
相接地发电机带厂高变（空载）和主变压器（空载）时定子单相接地故障电流19.961 2 A
不投接地变，发电机出口封闭母线一
相接地发电机带厂高变（空载）和主变压器（空载）时定子单相接地故障电流
20.332 8 A
投入接地变，发电机出口封闭母线一
相接地
为确保改造后的设备安全稳定运行，满足规程规范要求，二滩水力发电厂同设计院、厂家充分沟通
收稿日期： 2020-11-06
作者简介： 李张秀（1975-），女，高级工程师，研究方向：水电站电气一次设备检修维护技术管理。

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水 电 站 机 电 技 术
和研究，决定采用集高电阻和电抗器功能为一体的
复合型接地装置。

二滩水力发电厂已于2017年完成二滩水电站
2号发电机的改造工作，集高电阻和电抗器功能为
一体的接地装置已投入运行，投运截止到2020年，
接地装置运行稳定可靠。

本文简要阐述接地装置和
参数的选择及应用效果。

1 定子绕组单相接地电容电流的计算
计算发电机单相对地电容电流除考虑定子绕组
单相对地电容，同时还应考虑发电机出口封闭母线
电容、GCB两侧电容、主变低压侧电容以及厂高变、
励磁变高压侧电容，各设备电容如下：
（1）发电机定子绕组单相对地电容为2.09 μF，
三相电容之和C1为6.27 μF；
（2）发电机出口封闭母线三相电容值C2为：
0.029 μF；
（3）主变压器三相电容C3为：C3A+C3B+C3C=
0.027 28+0.026 87+0.026 99=0.081 14 μF；
（4）励磁变压器高压侧电容C4为：
C
4A
+C4B+C4C=0.000 964 4+0.000 982 3+0.000 969 4
=0.002 916 μF；
（5）厂高变高压侧电容C5为：
C
5A
+C5B+C5C=0.001 187+0.001 164+0.001 194=
0.003 545 μF；
（6）GCB发电机侧电容C6为：
C
6A
+C6B+C6C=0.1367+0.135+0.1379=
0.409 6 μF；
（7）GCB主变侧电容C7为：
C
7A
+C7B+C7C=0.265 5+0.266 4+0.266 2=
0.798 1 μF；
（8）三相总电容C为：
C
1
+C2+C3+C4+C5+C6+C7=6.27+0.029+0.081 14+
0.002 916+0.003 545+0.409 6+0.798 1=7.59 μF
计算发电机单相对地电容电流I C为：
I C =
Un×ωC
3
×10-3=24.8 A
I
C
——发电机三相对地电容电流，A；C——发电机三相对地电容，μF；ω——角频率，ω=2πf；
Un——发电机额定电压，kV。

2 接地装置变压器一次电流的计算
根据NB/T 35067-2015《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》“3.4中性点高电阻接地方式”相关内容，发电机中性点接入电阻值的大小，将影响发电机中性点的暂时过电压值。

按运行机组耐压值为1.5倍发电机的额定电压，则健全相暂时过电压不宜超过2.6倍相电压。

为满足以上要求，则发电机单相接地时电阻电流应不小于电容电流，且根据《电力工程电气设计手册 电气一次》的有关要求，尽可能限制单相接地故障电流不超过10~15 A，因此，拟选取发电机单相接地故障点电流为13.5 A，同时补偿后的电容电流按电阻电流大小选取。

则：
电阻电流：
I
R
=
13.5
2
=9.55 A
补偿后的电容电流：
I
c补
=
13.5
2
=9.55 A
补偿电感电流：
I
L
=I C-I R=24.8-9.55=15.3 A
因此，接地变一次侧电流为：
I
1
= I L2+I R2= 15.32+9.552=18 A
3 接地装置变压器容量选择及结构要求为防止发电机发生单相接地时，变压器产生较大的励磁涌流，变压器额定电压的选择不宜低于发电机额定电压，变压器的一次电压取发电机的额定电压。

变压器容量与其工作时间有关，按以下计算。

S=
U
1
×I1
k
1
=
18×18
2.35
=137.9 kVA
式中：
S——变压器容量，kVA；
U
1
——变压器额定电压，kV；
I
1
——发电机单相接地时接地变一次侧电流，A；
k
1
——过负荷系数，过负荷持续时间按照10 min，查曲线（见图1），过负荷系数为2.35。

29第2期李张秀，等：
集高电阻和电抗器功能为一体的接地装置在二滩水电站的应用
图1 变压器故障运行时间和过负荷系数的曲线
按容量标准取接地变压器额定容量为180 kVA。

则实际过负荷系数为：
k 1=
S
N
S
=
18×18
180
=1.8
因此，选择额定容量为180 kVA的F级绝缘耐热等级的环氧浇注型干式变压器，二次侧额定电压为0.5 kV，短路阻抗为4%。

变压器引线和抽头的支撑应使所有的重量不由线圈负担，线圈应支撑牢固。

铁心应严格夹紧以避免运输中位移或运行时的振动。

从变压器至发电机中性点的连接应为单相母线，接地变柜内应提供与其连接的布置空间。

母线的引入口的位置应与整套接地装置的设计相配合，并应提供固定母线的支架。

内部的高压连接应按定子绕组的全线电压绝缘。

高压绕组为密闭式，与二次绕组之间对地静电屏蔽。

4 接地装置变压器低压侧接入电阻和电抗器的计算
根据上述计算的接地变等效一次侧电阻电流和电感电流，可以计算出接地变二次侧相应的电阻电流和电感电流分别为：
I
R2
=I R×k=9.55×36=343.8 A
I L2=I L×k=15.3×36=550.8 A
发电机发生单相接地故障时，中性点电压为相电压,此时接地装置变压器二次回路参数:
U
2F
=U2÷ 3=500÷1.732=288.7 V
I
2
=I R2+I L2i=343.8+550.8 i
则Z2=U2F÷I2=0.235+0.377 i
考虑变压器的有功损耗通常不超过额定容量的2%，即180×0.02=3 600 W
则等效电阻R P=
PU
2
2
S2
3 600×0.52
1802
=0.028 Ω减去变压器有功损耗等效电阻后的阻抗:
Z
2
'=Z2-R P=0.235-0.028+0.377i=0.207+0.377i
Z
2
'=
R
2
X L i
R
2
+X L i
R
2
=0.89 Ω X L=0.49 Ω
R
2
——变压器低压侧接入电阻值，Ω；
L
2
——变压器低压侧接入电抗值，Ω；
U
2
——变压器低压侧电压，0.5 kV；
k——变压器变比，36；
P——变压器总损耗，W。

根据同容量配电变压器损耗约为3 600 W。

根据上述计算接地装置变压器二次侧使用电抗器时，电阻器的电阻值为0.89 Ω（冷态），电阻值调整允许范围在-15%~+15%以内，电阻器的抽头数量不少于7个，便于选择合理的电阻值（定子接地保护装置一般要求电阻为0.5~1 Ω）。

二次电抗器额定电抗为0.49 Ω(25 ℃)，额定电感量为1.56 mH （电抗值允许范围在-15%~+15%以内），二次电抗器有抽头不少于7个，便于选择合理的电抗值。

接地装置变压器本身的短路阻抗串联在中性点接地回路中，对最终故障电流大小有影响，因此二次补偿电抗器以及电阻器的数值在工厂制造时需根据试验数据进行适当调整以保证故障电流在保证值的±10%的允许范围内。

5 应用效果
接地装置出厂前进行了模拟单相接地试验，在电阻4档（R=0.89 Ω）、电抗器5档（X L=0.49 Ω）时，设计计算故障点电流为13.5 A，实测值为12 A，满足计算要求。

在这种参数配置条件下，模拟发电机中性点位移电压为337 V，是额定相电压的3.2 %，也满足发电机组长期运行的要求。

2号机定子改造后实测定子绕组单相对地电容约2.47 μF，比设计电容值大，如电阻器和电抗器仍然选择为出厂档位，则实际单相对地电容电流将变大。

为了验证接地装置选型的正确性，经复核计算后将电阻器档位调至5档（R=0.93 Ω），电抗器档位调至4档（X L=0.47 Ω），调整后进行了验证试验。

试验数据如表2。

（下转第81页）
81第2期葛万明，等：基于ANSYS的某水闸除险加固稳定性分析研究
拆除上、下游全部翼墙，以原有底板地基重新设计建设对称分布重力式翼墙。

（2）获得了闸室在正、反向挡水工况下渗透压力最大值区域总集中在挡水方向上，且正向挡水工况下渗透压力整体高于反向挡水，反向挡水工况下最大渗透压力仅有正向挡水的75%；闸室反向挡水渗透坡度高于正向挡水工况，但两个工况下渗透坡降均低于允许值0.15~0.25。

（3）获得了所有荷载组合工况条件下上、下游翼墙基底压力与抗滑稳定安全系数均满足设计规范要求；地震动荷载工况下，翼墙抗滑稳定系数显著降低；同等荷载工况下，下游翼墙基底压力低上游翼墙7 %。

（4）获得了闸室最大地应力为158.21 kPa，地应力均匀系数低于2，抗滑稳定安全系数超过3，均满足水闸设计要求；闸室结构整体处于受压状态，7个闸墩及上、下游排架柱最大压应力分别为7.207 MPa、4.653 MPa、6.869 MPa，仅局部排架及底板区域出现拉应力，最大拉应力仅有2.74 MPa，处于材料抗拉强度允许范围内。

参考文献：
[1] 水利部水利建设与管理总站．水闸安全鉴定技术指南
[M].郑州：黄河水利出版社，2009．
[2] 陈筱.大源渡航电枢纽船闸平板闸门及启闭系统运行分
析[J].水电站机电技术，2009（4）：37-38，66.
[3] 岳杰，孙菲菲.基于层次分析法的沈阳浑北灌区闸门安全
评价[J].黑龙江水利科技，2012，40（10）：25-27.
[4] 潘巍伟，张晓武.赵山渡水电站主槽区弧形泄洪闸门的安
全复核[J].水电站机电技术，2020（6）：32-34，72.
[5] 戚国强，李凯.基于改进层次模糊综合评价的水闸工程安
全评价[J].东北农业大学学报，2013，44（5）：111-114. [6] 张晓武,潘巍伟.赵山渡水电站泄洪闸闸墩补强及消能
设施消缺[J].水电站机电技术,2020（4）：50-51，62.
[7] SL 265-2016水闸设计规范[S].北京：中国水利水电出版
社，2016.
[8] 章汉鸣.赵山渡大坝水闸水平位移观测数据的分析[J].
水电站机电技术，2018（6）：40-43.
[9] 代汝林，李忠芳，王姣．基于 ABAQUS 的初始地应力平
衡方法研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版)，2012（9）：76-81.
表2 测试数据记录表
测试项目测试值试验条件
发电机中性点不对称电压292.8 V中性点不带接地装置
发电机中性点位移电压320.4 V 中性点带接地装置；不超过标准要求的10 %额定相电压，
即1 039.3 V
发电机空载时定子单相接地故障点电流接地故障点电流为
12.2 A，接地装置一
次侧电流为17.5 A
投入接地装置，发电
机出口封闭母线一
相接地
发电机空载时定子单相接地故障点电流23.22 A
不投接地装置，发电
机出口封闭母线一
相接地
发电机带厂高变（空载）和
主变压器（空载）时定子单相接地故障点电流25.7 A
不投接地装置，发电
机出口封闭母线一
相接地
发电机带厂高变（空载）和
主变压器（空载）时定子单相接地故障点电流13.1 A
投入接地装置，发电
机出口封闭母线一
相接地
从表2数据可知，在接地装置变压器的二次侧加装电抗器补偿后，可有效将定子单相接地故障电流限制在10~15 A以内。

虽然此种方式会导致中性点位移电压有所升高，但影响不大，完全满足相关规程规范要求。

6 对定子注入式接地保护的影响
采用新型中性点接地装置后，试验发现模拟定子绕组接地电阻为7 kΩ以上时超出了保护装置测量量程。

最终将二次侧CT安装位置进行了重新调整，并将零序电流判据改为电压判据后，注入式定子接地保护运行正常。

7 结论
集高电阻和电抗器功能为一体的中性点接地装置已在二滩水电站成功应用，它不仅能有效限制传递过电压和暂态过电压对发电机的危害，而且还能将单相接地故障电流限制在允许运行范围内，大大降低了发电机发生单相接地故障后事故恶化的可能性，提高了发电机运行可靠性，此方式值得推广。

参考文献：
[1] 电力工业部西北电力设计院.电力工程电气设计手册
[M].北京：中国电力出版社，1989.
[2] 殷建刚，彭丰，王维俭.合理配置发电机中性点接地方式
[J].电力设备，2001（4）：67- 70.
[3] DL/T 308-2012中性点不接地系统电容电流测试规程[S].
（上接第29页）。