巨型水轮发电机组阻抗型中性点接地方法与流程

本发明涉及一种发电机组接地侧布置方法，具体的说是一种巨型水轮发电机组阻抗型接地方法。

背景技术

乌东德水电站共装设12台(左、右岸各6台)单机容量为850mw的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为10200mw。白鹤滩水电站共装设16台(左、右岸各8台)单机容量为1000mw的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为16000mw。乌东德、白鹤滩发电机容量在850mw及以上，发电机中性点传统接地方式一般难以使接地故障电流在允许范围内。

传统的发电机接地方式包括：1)不接地；2)直接接地；3)低阻接地；4)经配电变压器高阻接地；5)经消弧线圈接地。其中，不接地系统r＝∞；直接接地r＝0；低阻接地是指r值较小；经配电变压器高阻接地是指r值较大；经消弧线圈接地是指经电感接地。

在100mw及以上的大型水轮发电机中，传统的是采用经高阻接地或者经消弧线圈接地两种方式。按照nb/t35067-2015《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》，当采用高阻接地方式时，对于乌东德和白鹤滩水电站中所用的850mw和1000mw的巨型水轮发电机组，发电机回路的电容电流均超过50a，该电容电流值超过了既往工程经验，对应的单相接地短路电流将会非常大，极易在短路时烧坏定子铁心，产生不可估量的损失。

当采用经消弧线圈接地时，需将短路电流限制到1.0a以下，在此要求之下配置中性点接地电抗参数，则无法保障将发电机非故障相的暂态过电压限值在2.6pu范围之内。

在发电机组的接地侧，对于100-600mw以下的单个发电机组，国内通常采用电抗接地或高阻接地(有变压器)，国外通常采用电抗接地。

对于600mw以上的巨型机组，国外的电抗接地方式能够满足要求，但由于要有过载保护装置，因此成本较高；在600mw以上的巨型机组中，由于600mw的机组电流很容易达到30a，会烧坏电芯，造成资源浪费，因此，目前，现有技术中，国内是将600mw以上的巨型机组分成若干个联结在一起的大型机组或中小型机组，从而使单个的机组的容量不会大于600mw，从而满足我国国内通用的机组建造方法。

针对国内发电机组的机组电流容易过大的问题，中国发明专利“一种发电机中性点高感抗接地装置”(专利号：zl201510310760.7)公开了一种发电机中性点高感抗接地装置，该装置能够使得短路电流限值到15a以下，其适用的对象为200mw以下的中小型发电机组，单相对地电容为2.068μf。而针对600mw及以上容量的巨型水轮发电机，则上述发电机中性点高感抗接地装置并不能满足要求，具体原因如下：若采用该专利记载的结构，则由于该中性点接地装置将所有电气设备均放置在机组壳体内，故中性点接地装置的不仅体积会很大(高度如果太高，则装机不方便)，而且检修不方便(由于所有机组放置在同一个装置内，故修改不方便)。

同时，针对国内发电机组的机组电流容易过大的问题，中国发明专利“新型中性点接地电阻器”(专利号：zl200920096920.2”)公开了一种新型中性点接地电阻器，该装置是在经配电变压器的高阻接地方式基础之上的改进，其还是难以解决巨型水轮发电机定子绕组对地电容较大带来的问题。同时由于该装置仅改变电阻值的大小，在接地故障电容电流超过18a时，将难以限制接地故障电流至25a以下。

850mw容量及以上机组的中性点接地方式和参数均要突破传统方式，目前国内外尚无这方面的研究或工程经验可借鉴。这一发明，对保障巨型水轮发电机的安全稳定运行意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种巨型水轮发电机组阻抗型接地方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：巨型水轮发电机组阻抗型中性点接地方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：输入发电机的额定电压un，定子绕组单相对地总电容c0、短路电流限值isafe与暂态过电压限值usafe，判断发电机是否需要接地，若需要接地，则安装中性点接地装置，进入下一步骤；若不需要接地，则不安装中性点接地装置；

当判定发电机需接地时，根据电力行业涉及准则判断是否要求瞬间切机，若要求瞬间切机，且单相接地故障电流依据不同的发电机机端，限制在1～4a以内，则采用高电抗型接地方式；

步骤三：根据发电机的电压回路固有电容电流ic，比较发电机电压电压回路固有电容电流ic与短路电流isafe的限值，若则考虑高电阻型接地方式；若则考虑阻抗型接地方式，进入下一步骤；

步骤四：根据短路电流的限值，以及电阻r与电抗xl的参数配置区间的确定公式，确定电阻r与电抗xl的参数配置区间，同时，根据暂态过电压限值usafe，以及电感值的欠补偿取值区间，确定最终的电阻r与电抗xl接地参数配置方式；

其中，电阻r与电抗xl的参数配置区间的确定公式如下：

电感值的欠补偿区间为：

其中，公式(1)适用于串联型，公式(2)适用于并联型，un为发电机的额定电压，c0为定子绕组单相对地总电容，ω为角频率，j为虚数单位，isafe为短路电流限值，usafe为暂态过电压限值，r为电阻，xl为电抗，vlim为技术导则规定的脱谐度的限值；

步骤五：输出最终的接地方案配置参数，并根据最终的电阻r与电抗xl接地参数安装中性点接地装置

本发明提供了一种组合柜体式阻抗型发电机中性点接地装置，与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明能解决巨型水轮发电机根据现有国内、国际标准，无法配置接地方式的问题，且提供了阻抗参数的配置原则，便于工程技术人员快速确定接地方案。

2、便于安装和维护，传统的中性点接地装置将全部设备放置于一个柜体内，这种布置方式虽然可以一定程度上节省空间位置，但单个柜体体积大，重量重，安装和维护均不方便，采用组合柜体之后，单个柜体拆分成3个柜体，单个柜体体积小，重量轻，更易安装和维护，也便于更换。

3、电气联结方式及参数配置可以灵活选择。

4、当发电厂增容改造或其他需要变更接地变压器或电阻器或电抗值等的情况时，可以对单一设备柜内的设备进行改造或更换，改造更灵活、更容易。

5、电动操作机构的引入可以实现隔离开关的电动操作，满足需要对接地装置进行电气切换的要求。

附图说明

图1为电阻器柜的结构示意图。

图2为电抗器柜的结构示意图。

图3为变压器柜的结构示意图。

图4为电抗器柜的外壳的结构主视图。

图5至图12为本发明中电阻及电抗的8中布置型式。

图13为本发明中不同短路电流限值下，串联电阻rs和串联电感xs的取值区间示例图。

图14为本发明中不同短路电流限值下，并联电阻rp和并联电感xp的取值区间示例图。

图15为综合短路电流和暂态过电压限值时，串联电阻rs和串联电感xs的取值范围及最优化点示例图。

图16为综合短路电流和暂态过电压限值时，、并联电阻rp和并联电感xp的取值范围及最优化点示例图。

图中1-电阻器柜，11-电阻壳体，12-电阻器，13-第一电阻支撑架，14-第二电阻支撑架，15-电阻隔板，16-电阻器进线，17-电阻铜排，18-第一电阻绝缘子，19-第二电阻绝缘子，110-电阻网罩，111-第一电流互感器，112-电阻器空间，2-变压器柜，21-变压壳体，22-支架隔板，3-电抗器柜，31-电抗壳体，32-电抗器，33-第一电抗支撑架，34-第二电抗支撑架，35-电抗隔板，36-电抗器进线，37-第一电抗绝缘子，38-第二电抗绝缘子，39-电抗网罩，310-第二电流互感器，311-电抗器空间，4-开关操作机构，41-第一操作机构底座，42-第二操作机构底座，43-第一支柱绝缘子，44-第二支柱绝缘子，45-开关刀闸，46-开关传动器，47-开关传动手柄，48-开关传动三角块，5-变压机构，51-变压上铁轭，52-变压下铁轭，53-变压器绕组，54-绕组联结线，55-变压铜排，61-百叶窗，62-地线入口，63-冷露装置，64-电加热器端子。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：巨型水轮发电机组的阻抗型接地侧布置方法包括如下步骤，

步骤一：输入发电机的额定电压un，定子绕组单相对地总电容c0、短路电流限值isafe与暂态过电压限值usafe，判断发电机是否需要接地，若需要接地，则安装中性点接地装置，若不需要接地，则不安装中性点接地装置，其中，发电机是否接地的判定条件包括单相接地电流是否超过允许值，和发电机容量是否大于125mw；

步骤三：当判定发电机需接地时，根据电力行业涉及准则判断是否要求瞬间切机，若要求瞬间切机，则采用高电抗型接地方式(经消弧线圈接地，国外常用的现有技术)，若不要求瞬间切机，则进入下一步骤，即进行进一步判定是选择阻抗型接地方式，还是高电阻型接地方式；需要注意的是，不要求瞬间切机的情况下，也可以采用“高电抗”型(国外常用的现有技术)，但其需要考虑中性点位移电压等因素，且相对于另外两种方式的过电压幅值偏高，故本发明不推荐；

步骤四：根据发电机的固有电容电流ic，比较固有电容电流ic与短路电流isafe的限值，若则考虑高电阻型接地方式，此为现有技术，具体电阻值配置方法可依据nb/t35067-2015《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》；若则考虑阻抗型接地方式，进入下一步骤；

步骤五：根据短路电流的限值，以及电阻r与电抗xl的参数配置区间的确定公式，确定电阻r与电抗xl的参数配置区间，同时，根据暂态过电压限值usafe，以及电感值的欠补偿区间，确定最终的电阻r与电抗xl接地参数配置方式；

其中，电阻r与电抗xl的参数配置区间的确定公式如下：

电感值的欠补偿区间为：

其中，公式(4)适用于串联型，公式(5)适用于并联型，un为发电机的额定电压，c0为定子绕组单相对地总电容，ω为角频率，j为虚数单位，isafe为短路电流限值，usafe为暂态过电压限值，r为电阻，xl为电抗，vlim为技术导则规定的脱谐度的限值；

步骤六：输出最终的接地方案配置参数，并根据最终的电阻r与电抗xl接地参数安装组合柜体式阻抗型发电机中性点接地装置。

实际工作时，巨型水轮发电机组阻抗参数确定方法包括如下步骤，

s1：基于发电机的额定电压un，定子绕组单相对地总电容c0，短路电流安全限值isafe，以及电阻r与电抗xl的参数配置区间的确定公式，确定电阻r和电抗xl的参数配置区间，具体的确定公式可参照上述的公式(1)和公式(2)：

s2：根据公式(1)确定的电阻r和电抗xl的参数配置区间，绘制电阻r和电抗xl的关系曲线；

s3:在上述步骤s2对应的电阻和电抗曲线上(而非取值区间内)，并根据电感值的欠补偿区间，在[xs0,+∞)区间范围内，寻找使得暂态过电压up为2.6pu的数值点，此时确定的串联电阻rs和串联电感xs即为对应的配置参数；其中，电感值的欠补偿区间为：

其中，vlim为技术导则规定的脱谐度的限值；

s4：根据公式(2)确定的电阻r和电抗xl的参数配置区间，绘制电阻r和电抗xl的关系曲线；

s5：在上述s4对应的电阻和电抗曲线上(而非取值区间内)，并根据电感值的欠补偿区间，在[xp0,+∞)区间范围内，寻找使得暂态过电压up为2.6pu的数值点，此时确定的串联电阻rp和串联电感xp即为对应的配置参数；其中，电感值的欠补偿区间为：

s6：结合技术经济性和技术可行性，并根据最终的电阻r与电抗xl接地参数安装组合柜体式阻抗型发电机中性点接地装置。

实际工作时，本发明的组合柜体式阻抗型巨型发电机组中性点接地装置，包括电阻器柜1、变压器柜2和电抗器柜3；

其中，所述电阻器柜1和电抗器柜3位于变压器柜2的二次侧或同侧，当电阻器柜1和电抗器柜3为串联联结时，变压器柜2的输入端接入电阻器柜1的输入端，电阻器柜1的输出端与电抗器柜3的输入端联结，电抗器柜3的输出端与变压器柜2的输出端联结；当电阻器柜1和电抗器柜3为并联联结时，变压器柜2的输入端接入电阻器12的输入端，同时接入电抗器柜3的输入端；

其中，电阻器柜1上的电阻r和电抗器柜3上的电感xl应当满足满足如下公式：

其中，公式(1)适用于电阻器柜1和电抗器柜3串联联结，公式(2)适用于电阻器柜1和电抗器柜3并联联结，un为发电机的额定电压，c0为定子绕组单相对地总电容，ω为角频率，j为虚数单位，isafe为短路电流限值，usafe为暂态过电压限值，r为电阻，xl为电抗，vlim为技术导则规定的脱谐度的限值；

所述变压器柜2包括变压壳体21、支架隔板22、位于支架隔板22上方的开关操作机构4、位于支架隔板22下方的变压机构5；

所述支架隔板22、开关操作机构4和变压机构5均安装在变压壳体21内部；

所述开关操作机构4包括第一操作机构底座41、第二操作机构底座42、第一支柱绝缘子43、第二支柱绝缘子44、开关刀闸45、开关传动器46、开关传动手柄47、开关传动三角块48，所述第一操作机构底座41和第二操作机构底座42均安装在支架隔板22上，第一支柱绝缘子43安装在第一操作机构底座41上，第二支柱绝缘子44安装在第二操作机构底座42上，所述开关刀闸45一端与第一支柱绝缘子43连接，另一端与第二支柱绝缘子44连接，所述开关传动器46一端与开关刀闸45连接，另一端与开关传动三角块48的端部连接，所述开关传动三角块48的中部与第一操作机构底座41铰接，所述开关传动手柄47安装在第一操作机构底座41上，且开关传动手柄47的输出端与开关传动三角块48的中部连接并带动开关传动三角块48转动；

所述变压机构5包括变压上铁轭51和变压下铁轭52，变压下铁轭52下端通过变压支撑块安装于变压壳体21底端，变压下铁轭52上安装有两个间隔布置的变压器绕组53，两个变压器绕组53均与变压上铁轭51连接，且两个变压器绕组53之间通过绕组联结线54连接，所述绕组联结线54上还安装有变压铜排55，变压铜排55通过变压绝缘柱与变压壳体21的内侧壁连接；

所述电阻器柜1包括电阻壳体11和电阻器12，电阻壳体11内部自上而下依次连接有第一电阻支撑架13、第二电阻支撑架14和电阻隔板15，所述电阻器12上安装有电阻器进线16和若干电阻铜排17，且电阻器12上端通过第一电阻绝缘子18与电阻壳体11的侧壁连接，电阻器12下端通过第二电阻绝缘子19与第一电阻支撑架13连接，所述第一电阻支撑架13下端连接有电阻网罩110，第二电阻支撑架14上安装有第一电流互感器111，所述第二电阻支撑架14和电阻隔板15之间为预留的电阻器空间112；

所述电抗器柜3包括电抗壳体31和电抗器32，所述电抗壳体31内部自上而下依次连接有第一电抗支撑架33、第二电抗支撑架34和电抗隔板35，所述电抗器32上安装有电抗器进线36，且电抗器32上端通过第一电抗绝缘子37与电抗壳体31的侧壁连接，电抗器32下端通过第二电抗绝缘子38与第一电抗支撑架33连接，所述第一电抗支撑架33下端连接有电抗网罩39，第二电抗支撑架34上安装有第二电流互感器310，所述第二电抗支撑架34和电抗隔板35之间为预留的电抗器空间311；

所述电阻壳体11外部和电抗壳体31外部均连接有安装有百叶窗61和地线入口62，所述电阻隔板15和电抗隔板35上均安装有冷露装置63和电加热器端子64。

本发明主要解决了阻抗配置型式、阻抗参数配置原则两个关键技术问题，从而便于工程技术人员快速、可靠的进行系统参数设计。

1.阻抗配置型式

发电机中性点经阻抗接地，是指中性点接地电路对应的等值电阻和电抗不为0或不可忽略，传统的经配电变压器高阻接地时，虽然变压器存在一定的电感值，但相对于电阻值，其电感值可忽略；同样对于经消弧线圈接地的方式，虽然消弧线圈存在一定的电阻值，但其电阻值很小可忽略。

当电阻和电抗值均不可忽略时，电阻和电抗可以串联联结或并联联结两种形式；此外，由于可通过配电变压器进行阻抗变换，因此电阻和电抗可以分别或一起连接至配电变压器二次侧，因此阻抗配置型式一共有8种，如图5至12所示。

上述8种方式的选用，需在确定最终接地阻抗参数之后，结合设备空间布置、配电变压器参数、技术方案经济性等各个方面进行综合考虑。如图5至12所示，本发明仅提供不同接线形式等效到配电变压器一次侧之后阻抗参数的配置原则，即不同接线形式均化简为图5至图8中的串联型，图9至图12中的并联型两种型式。

2.阻抗参数配置原则

(1)单相接地短路电流

单相接地故障点的电流ik包括两个部分：

1)固有电容电流ic

式中，un为发电机额定电压；ω为角频率，rad/s；c0为发电机定子电压回路单相对地总电容；j为虚数单位。

2)中性点零序电流in

式中，un为发电机额定电压；zn为发电机中性点对地阻抗，假定拟采用的接地方式等效阻抗为zn＝rs+jxs(串联)或zn＝rp//jxp(并联)，式中，j为虚数单位，rs为串联时的电阻，xs为串联时的电感，rp为并联时的电阻，xp并联时的电感。

总的短路电流的表达式为：

在确定的短路电流安全限值之后，不同联结形式下的电阻和电抗的参数，即rs、xs或rp、xp(rs为串联时的电阻，xs为串联时的电感，rp为并联时的电阻)，xp并联时的电感被控制在一定的范围之类，具体详见图6和图7。

其具体规律为：

a、当电阻和电抗串联联结时，串联时的电阻rs、串联时的电感xs的参数配置范围即为图13中曲线与坐标轴包围的区间范围内，随着短路电流限值的减小，取值区间逐渐减小。

b、当电阻和电抗并联联结时，串联时的电阻rs、串联时的电感xs的参数配置范围即为图14中曲线与坐标轴包围的区间范围内，随着短路电流限值的减小，取值区间逐渐减小。

(2)暂态过电压

标准规定需将暂态过电压幅值限值在2.6pu范围之内，暂态过电压目前尚无清晰解析表达式，本发明提供的暂态过电压的变化规律如下：

a、当电阻和电抗串联联结时，若固定串联时的电阻rs值，则以脱谐度为0时对应的xs0值为中心，在[0，xs0)区间内，随着xs的增大，暂态过电压幅值减小；在(xs0，+∞)范围内，随着xs的增大，暂态过电压幅值增大。

b、当电阻和电抗串联联结时，若固定串联时的电感xs值，则随着rs的减小，暂态过电压幅值增大。

c、当电阻和电抗并联联结时，若并联时的电阻rp值，则以脱谐度为0时对应的xp0值为中心，在[0，xp0)区间内，随着xp的增大，暂态过电压幅值减小；在(xp0，+∞)范围内，随着xp的增大，暂态过电压幅值增大。

当电阻和电抗并联联结时，若固定并联时的电感xp值，则随着rp的增大，暂态过电压幅值增大。

d、仅从短路电流和过电压幅值角度考虑，相同短路电流安全限值条件下，并联结方式下最大的暂态过电压略小于串联联结。

(3)辅助原则

基于(1)短路电流、(2)暂态过电压原则，并结合技术经济性、技术可行性比较，可确定对应巨型水轮机组所采用的接地参数配置，本发明提供的辅助原则可供使用者进一步明确采用图5至12中所示8种联结型式的哪一种。

基于(1)短路电流、(2)暂态过电压原则确定阻抗参数之后，且待选方案的技术经济性、技术可行性无明显差异情况下，辅助原则如下：

a、优先采用并联联结方案；

b、优先将电阻放置在配电变压器器的二次测；

c、优先将电感放置在配电变压器的一次侧；

d、针对串联和并联，脱谐度为0的情况下，暂态过电压幅值最低，且由于阻抗型配置方案的采用，传统方法中由于脱谐度为0导致的各种其他暂态过电压不会存在。但由于发电机的绝缘裕度一般选择的较大，远远高于2.6pu，且采用脱谐度为0的方案对暂态过电压的降低不太明显，一般约在2.5pu左右，因此不采用脱谐度为0方案，优先推荐满足暂态过电压限值条件下的欠补偿参数配置，如图14和图16所示。

优选地，本发明的单机容量大于等于600mw。优选地，上述暂态过电压的安全限值为2.6pu。优选地，上述短路电流的安全限值最高不宜超过25a，根据机组实际情况可进一步降低安全限值。

在确定的短路电流安全限值isafe之后，r和l的参数被控制在一定的范围之内，形成接地参数的初选方案。

实际工作时，根据暂态过电压限值usafe，应用智能搜索算法，形成最终的接地参数配置方式。

智能搜索算法的具体原理是：在确定的搜索范围内，以一定的步长对范围内的电阻与电抗值进行分析计算，自动寻找符合暂态过电压限值要求的接地参数配置方式，具体地：先确定满足脱谐度要求的在欠补偿条件下消弧线圈的电感值，综合接地参数的初选方案；进一步确定电阻r的范围；确定电阻和电抗搜索范围之后，进而应用智能搜索算法，寻找搜索范围内满足暂态过电压限值usafe的接地参数配置方式。

本发明能解决巨型水轮发电机根据现有国内、国际标准，无法配置接地方式的问题，且提供了阻抗参数的配置原则，便于工程技术人员快速确定接地方案。

其它未说明的部分均属于现有技术。