大型水电机组组合型接地方式参数优化设计

　　摘要：为了限制单相接地故障电流，部分大型水电机组采取了接地电阻并联电感的组合型接地方式，但接地电阻和电感的参数选取对接地故障电流、传递过电压、中性点位移电压、零序电压保护灵敏度有影响。综合考虑组合型接地方式下的接地故障电流、传递过电压、中性点位移电压、零序电压保护灵敏度指标，建立了针对水电机组组合接地参数设计的综合评价体系，并利用实际水电机组参数进行了分析计算。分析结果表明：选取合适的参数可以有效降低接地故障电流和提高保护灵敏度，同时传递过电压和中性点位移电压也不会过大。给出了参数选型的方案，希望能为组合型接地方式的参数选取提供借鉴。

　　关键词：大型水电机组;单相接地故障;定子接地保护;组合型接地;高阻接地故障

　　0引言

　　大型发电机中性点接地方式主要有中性点不接地、经消弧线圈接地、经高阻接地3种方式[1-2]。在20世纪80年代，我国大中型水电机组普遍采用消弧线圈接地方式，消弧线圈接地可以有效降低故障电流，提高零序电压保护的灵敏度，但存在暂态过电压问题。目前国内大型水电机组普遍采用高阻接地方式，接地电阻按照不大于发电机定子侧总对地容抗来选择。

　　高阻接地可以有效抑制定子发生单相接地故障时的暂态过电压，同时由于采用的是经接地变压器的电阻接地，这也便于注入式定子接地保护的使用[3-4]。但是，高阻接地方式下故障电流无法得到补偿，尤其是对于大型水电机组，定子绕组多、对地电容大，根据文献[5]可知，部分水电机组仅是电容电流就能达到25~40A，一旦发生接地故障会对定子铁芯造成严重损伤。

　　近年来，国内部分水电机组开始采用接地电阻旁并联电感的组合型接地方式，用电感电流补偿部分电容电流。相较于高阻接地方式，组合型接地方式可降低接地故障电流，提高基波零序电压保护灵敏度，但也会提高传递过电压和中性点位移电压，可能造成保护误动，并影响发电机的安全运行[6]。对于组合型接地方式，目前参数设计的大致原则是补偿后的电容电流等于电阻电流，并将故障电 流减小到10~25A以内[5，7]。

　　然而接地装置参数的改变不仅会影响故障电流，同时会对传递过电压、保护灵敏度、中性点位移电压产生影响，因此将故障电流作为单一的考虑因素来选型并不全面。本文将在综合考虑故障电流、传递过电压、中性点位移电压、基波零序电压保护灵敏度的情况下，给出具体的参数设计方案，希望对组合型接地方式的参数选取提供帮助。

　　1组合型接地方式评价指标的确立

　　大型水电机组中性点接地方式和定子接地保护应满足以下要求：接地故障电流不超过规定值;保护区能覆盖整个绕组，且有足够高的灵敏度;暂态过电压不能威胁发电机的安全运行[1]。

　　1.1基波零序电压保护灵敏度

　　基波零序电压保护灵敏度可以用定子绕组任一位置发生单相接地故障时保护所允许的最大过渡电阻来表示。设基波零序电压保护动作值(一次值)为mEA，故障发生在距中性点α处，其中α为故障点到中性点的绕组匝数占总匝数的百分比。

　　1.2传递过电压

　　当系统高压侧发生不对称接地故障时，故障点会产生零序电压，通过变压器耦合电容CM传递到发电机侧，有可能破坏定子绝缘或造成定子接地保护误动。

　　1.3暂态过电压

　　高阻接地相对于消弧线圈接地的优势是可以限制定子发生单相接地故障时的暂态过电压，防止绕组损坏[15]。一般认为接地电阻小于发电机三相对地总容抗时可以有效地将暂态过电压限制在2.6倍相电压以下，这源于AIEE在1953年利用暂态网络分析仪(TNA)得出的报告。组合型接地方式的基本思路是在提高接地电阻的同时并联电感，因此接地电阻必然会超过三相对地容抗，这违反了传统的接地电阻参数选取原则。然而实际中已有大型发电机不按小于三相对地容抗原则来选取中性点接地电阻，以二滩水电站为例，三相对地容抗为628Ω，而接地电阻为1.43kΩ，是容抗的2.28倍。

　　此外，文献[16]也通过电机多回路模型进行计算，结果显示即使接地电阻达到3倍的对地总容抗，暂态过电压也不会超过3倍的相电压，TNA模型过高地估计了暂态过电压。回归到组合型接地方式的暂态过电压，文献[5]认为该接地方式从等值电路上更加接近高阻接地方式。

　　所以可以定性地认为其暂态过电压的大小应该和高阻接地方式相当。此外通过PSPICE对准分布电容参数模型进行仿真，可以验证在高阻接地方式下并联电感对暂态过电压的影响甚微。因此，组合型接地方式下只要接地电阻参数小于3倍的对地容抗值，暂态过电压不会威胁发电机的安全。在本文评价体系中，暂态过电压作为隐藏的约束条件而非评价指标来考虑。

　　1.4综合分析

　　通过增大接地电阻Rn或调整并联电感Ln使其感抗接近三相对地容抗可以降低故障电流，提高基波零序电压保护灵敏度，但是同时这也会致使传递过电压和中性点位移电压增大，进而造成保护误动。本节确定接地故障电流、基波零序电压保护灵敏度、传递过电压和中性点位移电压作为参数选择的评价指标。

　　2综合评价体系的设计

　　由于组合型接地方式的影响涉及多个方面，仅根据单一的指标要求进行参数选取显然不合适，因此可以借鉴模糊综合评价法的思想，将故障电流、传递过电压、中性点位移电压、基波零序电压保护灵敏度这4个指标融合成一个综合的评价体系。

　　2.1评分体系

　　由于每个评价因素的量纲不同，所以针对指标建立评分体系来量化评价因素的好坏。本文采用百分制评分体系，100分即最优，0分即最劣。

　　2.1.1接地故障电流

　　接地故障电流的评分主要是从其对发电机铁芯的损害程度出发，由于电流对铁芯的损坏与电流值的平方值成正比[17]，所以用二次函数来描述分数与电流的关系。

　　2.2评价指标权重

　　在确定指标权重时，若采用专家打分法或者直接定性地给出权重，评价结果易带有主观性。为了提高决策的科学性、合理性，本文引入一致矩阵法。

　　2.2.1评价指标权重的确立

　　本文的评价体系中有3个评价指标：接地故障电流、基波零序电压保护灵敏度、传递过电压和中性点位移电压两者的较大值，分别记为p1、p2、p3。组合型接地的目的就是为了限制接地故障电流，防止发电机定子铁芯被烧伤，本文将接地故障电流作为权重最高的评价指标;考虑实际中传递过电压造成多起保护误动的实例，确定其重要性仅次于故障电流;而基波零序电压保护灵敏度重要性为三者中最低。

　　3实例计算

　　从算例的结果来看，选取合适的组合型接地方式参数相比于只计及电流的组合型接地方式有以下优缺点：1)有效降低了接地故障电流，减小了对定子铁芯的危害;2)提高了保护动作所能允许的最大过渡电阻，增大了基波零序电压保护的灵敏度;3)采用优化组合型接地方式会增加传递过电压和中性点位移电压，但UL0+UN=1.093UN<3UN，Udisp0<0.1UN，满足电力系统的规程规定。

　　4结论

　　本文对发电机组合型接地方式的参数优化设计进行了分析探讨，主要做了以下工作：1)对组合型接地方式下的单相接地故障电流、传递过电压、中性点位移电压、基波零序电压保护灵敏度进行了理论分析，建立了评价指标;2)计及3个评价指标，利用一致矩阵法建立了组合型接地方式综合评价体系，但指标的评分标准仅为初步探索，还需进一步研究;3)利用实际算例进行了分析计算，计算结果表明参数的选取结果能有效降低接地故障电流，提高保护灵敏度，同时兼顾了保护对传递过电压和中性点位移电压的要求。除了本文所分析的内容以外，组合型接地方式也会对注入式保护的误差产生影响，且其参数设计还有更多需要探讨的地方。

　　参考文献：

　　[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].2版.北京：中国电力出版社，2002：186-195.

　　[2]OWENEL.Thehistoricaldevelopmentofneutral-groundingpractices[J].IEEEIndustryApplicationsMagazine，1997，3(2)：10-18.

　　[3]毕大强.大型水轮发电机定子绕组单相接地故障及保护方案的研究[D].北京：清华大学，2003.BIDaqiang.Studiesonstatorgroundfaultanditsprotectionforlarge-sizedhydro-generators[D].Beijing：TsinghuaUniversity，2003.

　　[4]党晓强，邰能灵，王海田，等.大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析[J].电力自动化设备，2012，32(7)：25-29.DANGXiaoqiang，TAINengling，WANGHaitian，etal.Analy⁃sisofstatorgroundingmodesoflarge-scalehydro-generatoranditsprotection[J].ElectricPowerAutomationEquipment，2012，32(7)：25-29.

　　[5]张琦雪，曾祥君，徐金，等.大型发电机中性点组合型接地方式的分析与探讨[J].电力自动化设备，2018，38(11)：217-222.ZHANGQixue，ZENGXiangjun，XUJin，etal.Analysisanddiscussiononcombination-typegroundingschemeforlargesizedgenerator[J].ElectricPowerAutomationEquipment，2018，38(11)：217-222.

　　[6]刘亚青，张丹丹，朱钊，等.巨型水轮发电机中性点接地装置加电抗对中性点位移电压影响的研究[J].大电机技术，2020(3)：47-50.

　　作者：贾文超，曹嵩