（农业电气化与自动化专业论文）发电机中性点接地方式的研究.pdf

声明尸明 鳓蚴i ififflffll1111fff|fiii啪f i ii删ii y 1 7 8 6 0 8 1 1 。 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机中性点接地方式 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耋圣选 日 期：婴盟：f 兰：至! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 研究分析了超大型发电机的多种接地方式，并对经消弧线圈接地和经接地变高 阻接地两种主要方式进行了深入研究。对接地故障电流进行了分析及计算推导；为 了对接地变高阻接地的认识更为深入全面，在接地变高阻接地方式的有关公式中计 入了接地变感抗的影响。对发电机中性点实际的两种接地方式，消弧线圈接地方式 和接地变高阻接地方式，进行了分析比较，结论是对于水电站水轮发电机组，宜选 用接地变高阻接地方式；对火电厂和核电厂的汽轮发电机组，选用何种接地方式， 应该根据实际现场的具体情况确定。 关键词：发电机中性点接地，消弧线圈接地，高阻接地 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , v a r i o u sg r o u n d i n gm e t h o d so fv e r yl a r g eg e n e r a t o rh a v eb e e n c a r r i e do u tr e s e a r c ha n da n a l y s i s a n di n d e p t ha n a l y s i so fp e t e r s o nc o i lg r o u n d i n ga n d d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw i t hh i 曲r e s i s t o rg r o u n d i n g f o rt h eg r o u n df a u l tc u r r e n t a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fd e d v a t i o nw e r ec a r r i e do u t i nt h er e l e v a n tf o r m u l a so fh i g h r e s i s t a n c eg r o u n d i n gt r a n s f o r m e rg r o u n d e d ，c o n s i d e r e dt h ei n d u c t i v ee f f e c t s o ft h e g r o u n d i n gt r a n s f o r m e r , i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw i 血h i g l l r e s i s t o rg r o u n d i n gm o r ed e e p l y t h i sp a p e rc o m p a r e st h et w ok i n d so fp r a c t i c a l g r o u n d i n gm e t h o d so f t h e g e n e r a t o rn e u t r a lp o i n t c o m e t ot h ec o n c l u s i o nt h a t h y d r o g e n e r a t i n g u n i tf o rt h eh y d r o p o w e rs t a t i o na d v i s e dt ou s eh ig h 。r e s i s t a n c e g r o u n d i n go fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r ；p a i r so ft h e r m a lp o w e rp l a n t sa n dn u c l e a rp o w e r p l a n tt u r b i n e g e n e r a t o ru n i t ，c h o o s ew h a tk i n do fg r o u n d i n g ，i ts h o u l db ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e s t h e r em a i n l yh a v et w ot y p e so fp e t e r s o nc o i l g r o u n d i n ga n dd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw i t h r e s i s t o r l i a n gz h a o ( a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f y a nf e n g k e yw o r d s ：g e n e r a t o rn e u t r a lg r o u n d i n g ，p e t e r s o nc o i lg r o u n d i n g ，h i g hr e s i s t a n c e g r o u n d i n g 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1帚一早j li 1 1 1 课题的提出1 1 2 发电机中性点接地方式的现状1 1 3 论文的主要工作7 第二章发电机中性点接地装置的研究9 2 1 发电机中性点经消弧线圈接地9 2 1 1 消弧线圈的设计选择9 2 1 2 正常运行和单相接地故障时的基波零序电压和电流l l 2 1 3 传递过电压对中性点位移电压的影响2 0 2 2 发电机中性点经接地变压器高阻接地2 3 2 2 1 接地变压器的选型计算2 3 2 2 2 高阻接地的单相接地故障电流2 9 第三章接地装置参数对发电机定子单相接地保护的影响，3 4 3 1 中性点接地装置参数对外加电源导纳判据的影响分析3 4 3 1 1 配电变压器参数的影响分析3 4 3 1 2 消弧线圈参数的影响分析3 6 3 1 3 导纳判据中接地装置参数的确定3 8 3 2 中性点经消弧线圈接地方式的分析3 8 3 2 1 允许接地电流3 8 3 2 2 补偿系数的选择及传递过电压的验算3 9 3 2 3 防止基波零序电压定子单相接地保护误动的措施4 2 第四章研究确定发电机中性点接地方式4 3 4 1 选择两种接地方式的相关因素4 3 4 2 接地故障电流问题4 5 4 3 过电压问题4 5 4 4 发电机定子接地保护问题4 6 4 5 两种接地方式的相关实例计算4 7 第五章结论5 3 华北电力大学硕士学位论文目录 参考文献5 4 致谢5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的提出 近年来，随着我国社会经济的飞速发展，水电站和发电厂新建及待建项目日益 增多，发电机容量也逐步增大，选择较好的接地方式，是提高机组运行可靠性的保 证。一个技术性能优越、经济合理的接地方式，必将创造直接的或潜在的社会和经 济效益。 由于过电压、接地故障电流等都直接与发电机接地方式有关，同时还决定着发 电机的保护型式，是直接影响机组安全可靠运行的众多因素之一。但由于接地方式 的选择在理论和实践上认识并不深，所以难免观点迥异。对大型机组主要有消弧线 圈接地方式和接地变压器高阻接地方式。大型发电机中性点接地方式在欧美以经配 电变压器高阻接地为主，在原苏联和我国的大型水轮发电机习惯采用消弧线圈接 地，不同接地方式的技术评估，历来是一个争论的问题。一方面在水电站越来越多 的机组选用了接地变压器高阻接地方式，而另一方面部分专家学者却在呼吁不要盲 目崇外，抛弃消弧线圈接地的传统方式。本文将全面论证它们的优缺点，并针对三 峡电站发电机的中性点接地方式提出严谨的科学观点。 本课题通过分析计算不同接地方式下的过电压、接地故障电流等特性，分清高 阻接地和消弧线圈接地的优缺点，在发电机中性点接地选择中做到技术先进，经济 合理，以便在今后实践中进一步检验和总结。另外本课题对于发电机接地进行了详 细的分析，无疑会对选择更好的发电机中性点接地方式起到积极的指导和参考作 用。对丰富发电机接地方式理论研究进行了有益的尝试。 1 2 发电机中性点接地方式的现状 1 国内外大型发电机中性点接地方式的基本状况 发电机接地方式涉及的技术问题较复杂，尤其是大容量的机组涉及到的技术问 题更加复杂，同时由于设计、应用习惯和变电站所在系统千差万别，接地方式也不 尽相同，各自存在着优缺点。1 9 8 8 年国际大电网会议( c i g r e ) 第2 3 专业委员会第 6 工作组( s c 2 3 - 0 6 ) 发表了一份重要的报告比1 。这份报告征询了1 7 个国家( 包括 澳大利亚、加拿大、法国、美国等) 3 3 家电力公司关于“发电机、发电机升压变压 器中性点接地方式 的现状，其中统计了1 9 7 5 年以来投入运行的单机容量为 5 0 1 6 4 0 m v a 的7 5 4 个大中型发电机组。征询结果显示瞄1 ： 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 有5 3 选择了经配电变压器高阻接地，其中2 5 6 个机组为经单相配电变压器 电阻接地，1 4 0 个机组采用经y ，d 接线的三相配电变压器电阻接地。 ( 2 ) 1 5 家公司的1 5 4 个机组( 约2 0 ) 为直接经高电阻接地。 ( 3 ) 两家公司的1 0 6 个机组采用了经低电阻接地方式，占1 4 。值得注意的是， 虽然是低阻接地方式，但定子绕组单相接地故障电流已指明限制到2 0 3 0 a ，也就是 说与高阻接地方式相近。 ( 4 ) 7 家公司的7 7 个机组中性点没有接地，但是发电机组的三相出口处均接了 副边为开口三角的y ，d 接线的配电变压器，其原边中性点接地，副边开口三角接 电阻，并且接地。这实际上是一种经过变化的中性点接地方式。 ( 5 ) 有3 家公司的1 7 台机组选择了经消弧线圈接地方式，所占比例非常小。 注意，上述的一些接地方式，比如( 3 ) 和( 4 ) 多用在中小型机组上，大型机 组已不采用。另外，经消弧线圈接地方式的应用非常少。 我国早年学习原苏联，大型水轮发电机中性点绝大多数是经消弧线圈接地，并 积累了丰富的运行经验，而美国、加拿大、法国等国家则多采用经高阻接地方式。 我国中性点经消弧线圈接地的运行经验已有5 0 多年，2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代 初丹江口水电站6 台1 5 0 m w 水轮发电机均采用经消弧线圈接地方式，2 0 世纪8 0 年 代葛洲坝电站1 9 台1 2 5 m w 和2 台1 7 0 m w 水轮发电机也都采用经消弧线圈接地方式。 但是，在这之后，我国又逐渐向美国等西方国家学习，国产大型机组以及引进国外 的大型机组大多数改为经配电变压器高阻接地方式。特别注意的是像三峡这样标志 性的大电站，其左岸电厂1 4 台机组无一例外的采用经高阻接地方式。 由此可以看出，国外选用接地变高阻接地的较多，而我国在大型机组选用高阻 接地方式有明显的上升趋势。尽管许多有关发电机方面的理论和实践问题得到了很 好的解决，但人们对其正常运行及故障特性的认识远未完结，理论深度和实践检验 还需进一步加大。两种接地方式各有优缺点，如何选择也一直存在争论。 2 发电机采用不同接地方式的原因和目的 由于发电机及发电机端所连设备和装置存在大小不等的对地电容，当发电机绕 组发生单相接地等不对称故障时，接地点流过的故障电流即上述对地电容电流。该 电流一般仅几安或几十安。发生故障时，故障处电弧时断时续，产生间歇性弧光过 电压，这将损伤发电机定子绝缘，造成匝间或相间短路，扩大事故范围，严重的将 烧伤定子铁芯n 1 。当发电机端外部元件发生单相接地故障等不对称性故障时，同发 电机内部接地故障一样，或由于弧光过电压，或由于电容电流超过一定数值，将对 发电机和其它设备造成损害。 由于上述原因，发电机中性点要采取不同的接地方式，主要目地是防止发电机 2 华北电力入学硕士学位论文 及其它设备遭受不对称故障的危害h 1 。具体有以下几方面： ( 1 ) 当发电机外部故障时，限制定子一点接地时最大接地电流从而限制定子线 圈的机械应力。 ( 2 ) 限制故障点电流或故障时间，把故障点的损伤控制到最小。 ( 3 ) 限制故障时的稳态和暂态过电压大小在安全数值以下，防止设备绝缘遭受 破坏。 ( 4 ) 提供选择性好、灵敏度高的接地保护，以便在定子一点接地时，能准确地 发出接地信号或有选择地断开故障发电机，防止发电机突然跳闸对系统和相关设备 造成冲击。 3 发电机中性点接地方式简述 发电机中性点接地方式方式不同是因为各发电厂的发电机容量、接线型式、接 入系统的不同，以及人们对发电机和系统的运行的要求、习惯的不同而有差异。按 照其发展的历程大体可以划分为：直接接地；经低阻抗接地；不接地或经电压互感， 器接地；经高阻接地；经消弧线圈接地( 又称谐振接地) 。 一、中性点经电阻 发电机中性点经电阻接地又分为低电阻、中电阻和高电阻方式。 曩： “ ( 1 ) 低电阻接地 低电阻接地通常采用的电阻值为1 1 5 欧，其数值的确定是为了限制最大的单 相故障接地电流小于最大的相间故障电流。这种接地方式可以限制弧光接地过电压 在安全值以下，但接地电流数值过大。当接地故障电流达到额定电流的1 5 倍时， 电阻的短时功率损耗就已经达到发电机额定功率的5 0 ，接地电阻因热容量的限制， 制造困难，运行中易损坏。从电阻器特性和发电机允许接地电流出发，要求故障瞬 时跳闸，一般采用接地差动保护方案来检测发电机定子接地故障。由于接地电流大， 接地继电器灵敏度高，选择性也好，故当发电机内部故障动作准确，瞬时跳闸停机。 当发电机外部故障时不动作，见图1 - 1 ( a ) 。 由于低电阻接地人为提高了接地故障电流，发电机定子单相接地故障时必须瞬 时跳闸停机，这样给系统带来较大冲击，可在系统中不占主要比重的小容量发电机 上采用。在系统中占比重较大的大中型发电机不宜采用。 ( 2 ) 中电阻接地 这种接地方法采用星一角( y 。) 型接线和曲折( z i g - z a g ) 型接线的变压器，初级 绕组与发电机主引出线相连，在变压器中性点串联电阻器接地，见图卜l ( b ) 、( c ) 。 等效接地阻抗的选择应能提供足够的电流，使接地保护继电器有选择性动作。这种 3 华北电力大学硕士学位论文 接地方法适用于发电机无中性点引出或采用三角形接线的发电机。在国际大电网委 员会曾做过的发电机中性点实际接地的方法调查中，有1 4 0 台发电机占调查总数1 9 的机组是采用图1 - 1 ( b ) 、( c ) 的中电阻方法接地的。 电变压嚣 电阻嚣 口瞅臁 翠褊涔二 蚰阻姚 圭匹严 图1 - 1 发电机中性点经电阻接地各种接线方式 ( 3 ) 高电阻接地 高电阻接地电阻器电阻数值的确定，要满足电阻器的功率损耗等于或大于发电 机及其电压回路对地电容中的零序无功损耗。这种接地方式可以分两种类型。 一种是数值为几百欧至几千欧确定值的高电阻器接地，同时为配备接地保护在 电阻器串联的中性点回路并联一台单相电压互感器，见图1 - 1 ( d ) 。电压互感器和电 阻器额定电压按等于或高于发电机相电压选择，为绝缘留有一定裕度。另一种是采 用配电变压器接地，在变压器二次线圈串接电阻器，当配电变接在发电机主引出回 路，需三台单相变压器，一次绕组接成星形与发电机相联，二次侧和电阻接成串联 回路，见图1 - 1 ( e ) 。当配电变接在发电机中性点回路，仅需一台单相配电变压器， 4 华北电力大学硕士学位论文 这种形式接地即通常所称的配电变压器高阻接地方式，应用较多，见图1 - 1 ( f ) e l 。 在我国对其看法也不尽相同。 高阻接地的第一种类型，存在一定的问题。在电压互感器上可能反映整个回路 任何部位的接地故障，包括互感器的低压绕组、联接线、发电机绕组，作用跳闸或 报警，可能因此失去应有的选择性。另一方面，高压系统的过电压也可能作用于电 压互感器，有引起接地故障指示的危险。高压侧接地故障引起的部分零序电压，经 升压变压器的电容效应，分压传递到低压侧，其数值的大小取决于变压器变比、高 压侧接地方式、故障点位置、变压器中性点接地与否、发电机及变压器的电容量等 因素。 二、中性点经电抗接地 这种接地分中性点电抗器( 低感抗) 接地、接地故障平衡器( 调谐电抗器) 接地和 消弧线圈接地。 ( 1 ) 中性点电抗器( 低感抗) 接地 这种接地是在发电机中性点直接串接一台低电感的电抗器，接线见图1 - 2 ( a ) 。 电感数值的选择类似于低电阻接地电阻值的选择，限制单相故障电流小于最大相间 短路电流。但故障电流可能大于高阻接地方式下故障电流的许多倍，是发电机三相 短路电流的2 5 - 1 0 0 。除发电机中性点附近的定子故障外，单相接地故障电流都可 高得足以使标准发电机差动继电器动作。其缺点是容易引起中性点位移，因电感磁 场衰减得很慢，故障切除后仍对发电机构成绝缘危害，实际采用的很少。 ( 2 ) 接地故障平衡器( 调谐电抗器) 接地 这种接地方法是选用一台配电变压器，一次侧接入发电机中性点，二次侧并联 一台电抗器( 消弧线圈) ，见图1 - 2 ( b ) 。所选择的电抗器电抗值当折算到一次测时， 应使其电抗等于发电机及其电压回路零序容抗的三分之一。从电感和电容匹配看， 属于谐振回路，所以也称调谐电抗器接地，但有电阻的存在，发电机单相接地故障 时并不会发生真正意义上的谐振，只是电抗器产生电感电流补偿了发电机回路的电 容电流。这种接地方法限制单相接地故障电流在很小的数值之下，不产生电弧，发 电机定子接地保护具有高灵敏度。适用于在不同的系统运行方式下回路的零序电容 变化不大的条件下。据资料介绍，英国英格兰电力公司在十余台发电机上采用这种 接地方式，接地故障电流限制在1 a 以内，发电机从未遭到电弧烧损阳1 。 ( 3 ) 消弧线圈接地 这种接地方式在我国得到广泛采用，为大家所熟悉。接线见图1 - 2 ( c ) ，类似于 电抗器接地，不同的是电抗器电抗数值小，不可调，而消弧线圈具有分接开关，可 以平滑调节电抗数值。从理论上讲，在发电机定子回路发生接地故障时，消弧线圈 5 华北电力大学硕士学位论文 的电感与回路的总电容产生并联谐振，可使接地电流接近为零，类似于故障平衡器 接地，但又不同于故障平衡器。 ( d ) 电压互感 器接地 图1 - 2 发电机中性点接地部分接线方式 三、中性点经单相电压互感器接地 实际上这是一种中性点不接地方式，即发电机中性点经电压互感器初级线圈接 地，其次级线圈接接地故障信号装置见图卜2 ( c 1 ) 。对于单相接地电容电流小于安全 电流的发电机可采用这种接地方式，我国汽轮发电机大中型机组采用这种接地方式 较多。 电压互感器一次额定电压宜选发电机的额定线电压，这样发电机故障时互感器 铁芯不会饱和，以便二次电压比较真实的反应一次电压，用来测量发电机中性点的 基波和三次谐波电压，实现发电机定子无死区保护。 其缺点是所连回路任何部分接地故障，都有可能产生一个电压施加在互感器 上，误动报警或跳闸；也可能由于高压侧接地故障，通过变压器电容耦合，引起过 电压。这两点同高电阻接地并联电压互感器方式一样，不再赘述。电压互感器的单 相绕组在额定线电压作用下的励磁电抗，还可能与发电机及其回路容抗发生危险的 铁磁谐振。 四、大型发电机的中性点的接地方式 直接接地和经低阻抗接地的两种接地方式，若发电机定子绕组发生单相接地故 障，相当于定子绕组匝间故障，故障电流往往很大，即使继电保护能够快速动作， 也不能避免发电机的内部损伤。对于不接地或经电压互感器的接地方式，当发电机 定子绕组发生单相接地故障时，间歇性的接地电弧可能引起定子绕组对地之间积累 性的电压升高，威胁非故障相的定子绕组绝缘。 鉴于这些原因，现今世界各国的大型机组中性点接地方式多采用高阻接地和消 6 华北电力大学硕士学位论文 弧线圈接地这两种接地方式。其中经高阻接地方式包括：直接经高电阻接地；经单 相或三相配电变压器( 其低压侧接电阻) 接地。而消弧线圈接地方式包括：可调电 感接地；固定电感( 经配电变压器加电抗器) 接地口1 。 通过补偿电容电流( 如采用消弧线圈接地) 可以限制发电机单相接地故障电流， 避免伤及定子铁心。这是发电机中性点接地装置的第一个作用。而随着单机容量的 增加，定子绕组对地电容也随之增大( 邹县发电厂1 0 0 0 m w 发电机定子每相对地电 容为0 1 9 7 t f ) ，相应的单相接地电容电流也增大，如果不能采取有效措施，故障 电流将危及定子铁心，严重时会烧损铁心，甚至进一步扩大为相间或匝间短路等严 重故障。 发电机中性点接地装置第二个可能的作用是可以抑制间歇性接地电弧，限制可 能引起的暂态过电压。间歇性的接地故障，其故障电流反复变化，必然会引起电容 电流与流过中性点接地装置的电流发生波动与冲击，可能引起电容上出现很大的暂 态过电压。中性点接地装置实际上给电容上的电荷提供了一个泄放回路，如果接地 装置是一个阻值较小的电阻，就可以有效地抑制暂态过电压。 中性点接地装置的第三个可能的作用就是可以增强保护装置对单相接地故障 的检测能力，完成有效的定子单相接地保护。 综上所述，大型发电机中性点接地方式的选择须重视以下原则h 1 ： ( 1 ) 接地故障电流原则。定子绕组单相接地故障电流不能超过安全电流，确保 定子铁心的安全。 ( 2 ) 过电压原则。定子绕组接地故障重燃弧暂态过电压数值要小，避免扩大事 故威胁发电机安全。 ( 3 ) 定子单相接地保护原则。保护动作区覆盖整个定子绕组，实现无死区的1 0 0 保护，且应具有足够高的灵敏性。 1 3 论文的主要工作 论文的主要工作是通过深入了解目前国内外发电机中性点接地方式以及相应 的发电机保护方式，分析研究在不同的发电机中性点接地方式下，发电机发生单相 接地故障时，定子的短路电流、定子绕组过电压等量的特点。在分析对比的基础上， 综合考虑发电机的保护以及所连接的系统，对经消弧线圈和接地变高阻接地两种方 式进行研究分析，给出合理的发电机中性点接地方式的理论依据，并对发电机定子 接地保护进行相应的分析。为此，本论文将主要做以下几个方面的研究工作： 7 华北电力大学硕士学位论文 从理论和实践两个方面，对各种接地方式进行分析，从而对发电机中性点为 地，各种接地方式存在的问题进行计算推导，为分析选择大型发电机接地变 阻接地和消弧线圈接地方式建立了基础。 对消弧线圈接地方式进行了分析，对消弧线圈的设计原则，直接过电压和耦 压及故障电流进行分析推导。 对接地变高阻接地方式进行了分析，阐述了接地变压器及二次电阻的设计选 ，推导了计入接地变感抗后接地变等值电路和相应的接地故障电流及过电压 对发电机接地变高阻接地和消弧线圈接地方式的保护形式进行分析，针对两 方式的三次谐波电压保护，进行了详细推导论证。 研究比较发电机中性点经消弧线圈和接地变高阻接地两种方式，综合分析比 适合大容量发电机组的中性点接地方式。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机中性点接地装置的研究 2 1 发电机中性点经消弧线圈接地 消弧线圈的外形和单相变压器相似，当发生单相故障时，由于消弧线圈接地产 生感性电流，充分补偿了故障电容电流，减小了接地故障电流及燃弧的可能性，所 以电网或发电机可以持续运行一段时间。消弧线圈内部实际上是一个具有分段( 带 间隙) 铁芯的电感线圈。间隙是沿着整个铁芯分布的，以便减少漏磁。采用带间隙 铁芯的目的是为了在较小的电感下，增大消弧线圈的容量，以及使电感值变化比较 平稳，从而保证在整定好的调谐值下运行。每个消弧线圈，均有调节补偿电流的分 接头，利用切换器在一定范围内改变线圈的匝数，就可以获得不同数值的补偿电流。 目前己经能够设计和制造连续平滑调整电感数值的消弧线圈，用于发电机中性点接 地。 消弧线圈分油浸式和干式两种，油浸式消弧线圈铁心与线圈均浸在变压器油 中，干式则为环氧浇注结构。 2 1 1 消弧线圈的设计选择 2 1 1 1 消弧线圈型式及参数的选择 消弧线圈一般选用油浸式，因发电机位于户内，在屋内相对湿度小于8 0 的环 境条件下，也可选用干式。 当消弧线圈的铁心饱和后，电抗就会下降，激磁电流则急剧上升。所以，为防 止消弧线圈的铁心饱和，消弧线圈的伏安特性起始饱和电压一般要求不低于 1 1 一1 1 5 倍额定相电压。运行经验及研究证明，消弧线圈的起始饱和电压过低，铁 心饱和，运行中可能引起消弧线圈异常动作，因此最好要求制造厂进行伏安特性试 验。 从绝缘考虑，为留有一定裕度，选择消弧线圈的额定电压等于发电机的额定电 压，即线电压。一般还要对海拔高度、地震裂度、环境温度等环境条件作相应校验。 2 1 1 2 容量及分接头的选择 消弧线圈的补偿容量，一般按下式计算： ， q = 如l 瓷( r v a ) ( 2 1 ) v j 式中：9 消弧线圈的补偿容量( k v a ) ； 9 华北电力大学硕士学位论文 如系数，过补偿取1 3 5 ：欠补偿按脱谐度确定； 五发电机回路的计算电容电流( 彳) ； 既发电机回路的额定电压( k 。 脱谐度v = 半k 妇= 争 其中i l 为消弧线圈电感电流，单位为 安培。过补偿方式，即消弧线圈感性电流大于发电机容性电流，v 0 。 对于安装在电网变压器中性点的消弧线圈，采用过补偿方式。对于安装在采用 单元连接的发电机中性点的消弧线圈，为了限制电容耦合传递过电压，以及频率变 动等对发电机中性点电压的影响，一般采用欠补偿方式h 3 。考虑到限制传递过电压 等因素，在正常情况下，脱谐度不宜超过正负3 0 。 电容电流的计算，包括发电机及其电压回路的设备和连接线对地电容电流。发 电机及其电压回路电容可求，有了电容则： i o = 丧司缈g 扣 浯2 ， 式中： 兄。发电机回路电抗( q ) ，比= 1 3 彩c o ； 易发电机回路每相对地电容( d ； 国发电机角频率，国= 2 矿。 发电机中性点消弧线圈调谐要求比较严格，为满足发电机定子接地保护和调谐 要求，优选具有可连续调节的消弧线圈。否则，电流分接头最好不低于9 个。 2 1 1 3 消弧线圈有功损耗的等效电路 消弧线圈的等效电路如图2 - 1 。电阻和电感对应图2 - 1 ( a ) 、( b ) 分别为死、 厶和尼、膏。 设消弧线圈的有功损耗为尼，消弧线圈的无功功率为局，则： 足= 【，量，工；忍= l = u ；3 0 , c o ，所以 墨：丛：坠血：型生 岛 1 0 0 i l3 w c o 吃一1 0 0 ，麟u x - = l ( 哟(23)0i 3 w c p ，= 。= i l z l l z 一6j ，p 、7 式中：以发电机相电压( 桫； 五消弧线圈工作电流( ； 嬲有功损失比百分值忍亿，一般为2 左右；当附加电阻限制耦合电 华北电力大学硕士学位论文 卜= 石r 2 l c 砸o l r 卜蒜 鱼 尺：+ 2 e c o l r = = 一 + 国2 层 ( a )( b ) 图2 - 1 消弧线圈等效电路图 2 1 2 正常运行和单相接地故障时的基波零序电压和电流 2 1 2 1 正常运行 为了讨论发电机中性点位移电压，将发电机表示成图2 - 2 ，三相对地电容口、 厶g 彼此互不相等，和表示消弧线圈的等值电感和电导，历、历、历为发电机 三相电势。 先讨论没有消弧线圈的情况，由于c l c 2 g ，即使三相电势完全对称，中性 点仍有电压，按基尔霍夫节点电压法阳1 、 j c o c , ( u m + e 1 ) = o f u 材：一k c 。e i i j c o c 2 ( u 材+ e 2 ) = 0 jk c o = ( g + 口2 c 2 + a g ) 3 c o ，疗矿，r k i r i 3 q = q + c 2 + g 1 j f 瞩( u 6 l f + 3 ) = 0l 。o 一。1 。2 。3 l j 再看接入消弧线圈后中性点电压，设其为踢，即图2 - 2 ( b ) 中电感三上的压降。 应用等效发电机原理，得 11 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 三相电路( b ) 零序等效电路 图2 - 2 发电机正常运行时的中性点电压 u o ( 1 f l o l + g ) = ( u w u o ) j 3 c o c o 痧o ( 1 一面1 一歹彘) = u 耐 讥2 尚“2 券2 静 浯4 ) 纠一瓦1 = 警小舞= 老j 式中：y 消弧线圈脱谐度；d 发电机电压网络阻尼率； 、厶发电机电压网络电阻泄露电流； e 发电机相电压； 发电机电压网络不对称电压。 由式( 2 - 4 ) 可知，如果在谐振条件下并且消弧线圈为纯感性，则v e = 0 ，d = 0 ， 即使三相对地电容略有不同，出现微小的不对称电压，也会使消弧线圈谐振接地的 发电机中性点电压趋于无穷大。实际上谐振接地方式的消弧线圈并非纯感性，有的 人为加大其电阻( 串联电阻r l ) ，使g 工0 ，d 0 ，这时即使有0 ，且y = 0 ， 中性点电压将受到限制( 在电阻小于感抗的条件下，增大r l ，吃减小，g 工增大， 阻尼率d 增大。当接地变接地时，电阻大于感抗，增大r ，反而使阻尼率d 减小) 。 所以，从限制正常运行中性点电压看，一般发电机中性点消弧线圈脱谐度不取零值， 越大越好，但其取值大小还要受传递过电压和故障点残流的限制，因而要综合比较 确定。当限制电压砜时，适当增加阻尼系数d ( 一般为0 0 4 0 2 5 左右) ，即增加 消弧线圈的电阻吃，此时等效电阻为 ，r ：上= l ：! 塑( 2 5 ) ，= 一= 一= 一 l z 一0 ， g 工3 c a c o d3 c o c o p 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 2 单相接地故障情况 1 单相接地故障电流 在讨论和计算单相接地故障时的基波零序电压和电流时，三相电源电势和三相 对地电容将视为完全对称。首先从金属性短路开始讨论，设故障点位于定子绕组a 相距中性点口处，见图2 - 3 ( a ) 。口为中性点到故障点的匝数占总匝数的百分比，定 子绕组感抗远小于定子对地容抗，所以忽略定子绕组感抗和感抗压降，这样零序电 压即是发电机中性点的位移电压，也是定子绕组任意相和任意点的零序电压，即： l 痧。1 2 三i 毋j + 痧口+ 6 c l = 三i 。1 c 口音矗一口古彳，+ c 口童c 一口e ) l 。2 6 ) = l 口( e 一+ e b + e c ) 一3 a e a l = a e 当故障点在机端时，口= 1 0 ，u o = 层，( 相电势) ；当故障点在中性点时，口= 0 ， u o = 0 。发电机单相接地时零序电压与短路点的关系见图2 3 ( b ) 。进一步分析经 过渡电阻发生单相接地的情况，其等效复合序网和等效电路如图2 - 4 。故障点将e 工 分为a e ，和( 1 - a ) e ，两部分。发电机每相电容g 也分成a c o 和( 1 = a ) c o 两部分，每 一部分均用万型等效电路表示，即将a c o 和( 1 - a ) c o 又一分为二。各序网的始端h 和 终端k 按单相接地的要求连接，同时各序网串接过渡电阻。由于发电机绕组感抗被 忽略，负序网电势等于零，所以负序网实际上完全被短接；正序网左侧被短接。这 样图2 - 4 可以改写成图2 - 5 ，即可立即写出 “。 j 。= 等，u 。= i o ( 一j x o ) ( 2 7 ) ( a )( b ) 图2 - 3 发电机单相接地示意图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4 发电机经过渡电阻接地复合序网图 式中苁= 1 肋g ，当屹= 0 时，砜= a e x ，式( 2 - 7 ) 与式( 2 6 ) 是相同的，也 与式( 2 - 1 3 ) 是相一致的，= 3 厶。 事实上，等效电路图可以进一步简化。因为不论故障点位于何处，定子绕组的 对地分布电容均可以等效，各以c 0 2 集中于机端和中性点。正序网电势分成a e ，和 ( 1 一a ) e j 两部分，两端各接g 2 ，中性点仍与日。短接；负序网不计定子绕组电感， 序网的负序压降为零，复合序网中就没有负序网的出现；始端q 和终端墨之间接 入零序网和过渡电阻，见图2 - 6 。由图2 - 6 所得结果与图2 5 所得结果相同。 h ( a )( b ) 图2 - 5 发电机经过渡电阻接地复合序网图等效电路图 当发电机中性点经阻抗z n 接地时，只要在图2 5 中的风和蜀两点并联3 乙即 可，式( 2 - 7 ) 亦作相应修改，其中一以部分取一成与3 乙并联后的数值。如果忽略 接地消弧线圈的电阻和金属性接地( 接地电阻屹= 0 ) ，设消弧线圈的电感为，补 1 4 华北电力大学硕士学位论文 偿电流为i t ，电容电流为j c ，则公式( 2 7 ) 变为 如3 心再意磊丽钳幽志邶缈c o ) = j ( i c l ) ( 2 _ 8 ) u o = i i ( - j 3 x , j c o l ) 我们把电感电流补偿电容电流的百分数称为消弧线圈的补偿度( 或调谐度) ： k=乞墨幔3coco=瓦1=叠0)21颤al ( 2 _ 9 ) ， 4 3 缈。c 式中c o o = 1 3 l 4 甄。为回路的自振角频率。脱谐度如下： y ：生丑：l k ：1 一蜂( 2 一l o ) 上面的推导，没有计入消弧线圈的电阻，为了包括这部分电阻的作用，设其等 值电导为舒同时假定短路发生在机端和金属性短路( 3 r a = o ) ，忽略回路的泄露电阻， 则由上面推导，得计算单相接地短路残流电流( 即故障电流，从补偿的角度称为 残流电流) 的等值电路，见图2 - 6 。 设消弧线圈的电阻电流为i s ，由图2 - 6 得残流电流： jr = l lg + l c + ll ，_ ，= 正面三 式中：i s = e g ；i c = t 3 a , c o ；l = e 础。 当k 0 时，表示电感电流补偿不足，故障点流过的残流为电容性电流， 即为欠补偿；当k 1 ，y 0 时，表示电感电流补偿过大，故障点流过的残流为感 性电流，即为过补偿；当k = l ，y = 0 时，表示电感电流和电容电流正好抵消，图 2 - 6 回路呈并联谐振状态，由公式( 2 - 11 ) 得故障点流过的电流只有纯电阻性的电 流。 图2 - 6 计算单相接地残流电流的等值电路 由公式( 2 - 1 1 ) 还可得出，消弧线圈的脱谐度不能太大，太大时残流太大，而 且进一步计算表明，脱谐度太大时，故障点恢复电压增长速度太快，消弧线圈就起 不到抑制接地电弧的作用了。脱谐度越小，残流越小，故障点恢复电压增长速度减 1 5 华北电力大学硕士学位论文 小，电弧容易熄灭。但脱谐度也不能太小，当v 趋近于零时，在正常运行时中性点 电压将发生较大偏移，由此说明，消弧线圈的电阻选择是有一定的限制的。 2 单相接地故障电压 在系统中发生单相或两相不对称对地短路时，非故障相电压都要升高，其中单 相对地短路非故障相的电压可能达到较高的数值，下面分析发电机中性点接地方式 可能对其产生的影响。 ( 1 ) 单相接地故障时的基波零序电压p 1 0 3 设单相接地故障发生在f 相的机端处，当短路点经过渡电阻接地时，由公式( 2 - 7 ) 可以看出过渡电阻变化引起发电机中性点及非故障相基波零序电压的变化，如图 2 7 。 a c 图2 - 7c 相接地中性点及相电压变化分析图 当过渡电阻r dc a0 寸o o 变化时，f 相对地电压将由0 专e c 变化，中性点对地电 压将由毋专0 变化。相应的代表中性点电位变化的轨迹为以故障相电压为直径的半 圆弧c o 0 ，非故障相b 的对地电压最大值是直线幻，经过直线o c 的中点( 位于半圆 弧上的其它点的b 相电压如b o 。 z c q o ，可能发生谐振，必有2 z + z o = o 。 1 压) 童 j ( 2 - 1 5 ) 弧线圈电阻为见电感为，发电机回路每相对地电容为c o ，零序电抗为x o ， 负序阻抗z 约等于发电机暂态电抗，此时等效电路见图( 2 9 ) 。则： z o = _ ，( 1 缈c o ) 【3 r + j ( 3 国己+ 凰) 】，z = j 解得发生谐振条件： 1 8 压丁 + 1 2 一 = 矿f h 札 式 口 o ) z z ) 口 谄 引 一 乙 生塌场 口一z 口一z勉泌 2 l 酣 2 坫 压剧 一 h 一3蛳誓肋式色弘 茹一 华北电力大学硕士学位论文 i r o - 3 们o x ；) = 0 【3 a l l - 9 a 7 2 l c o x ；+ 2 髟+ 五- 3 0 , c o x o - 3 0 , c o x o x ；- - 0 对于一定的发电机电压回路来说，c o 、髟、k 是确定的，而中性点消弧线圈 的电感和电阻是可调的，所以得： p 0 础：一3,ocoxox；-2x；-xo 图2 - 9 计入对地电容故障工频电压升高复合序网 可以得到发生谐振的感抗础非常小，且电阻r = 0 ；一般这种条件不易出现， 所以发生谐振的可能性很小。如果说发生单相接地的瞬间回路容抗和感抗构成并联 连接，谐振没有可能；那么当回路由暂态向稳态转化过程中，由于零序容抗和中性 点感抗构成串联连接，则产生串联谐振的可能性也许大大增加了。 图2 - 1 0 计入对地电容故障工频电压升高复合序网 1 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 所示为图2 - 9 的较精确分析，推导计算较繁琐。经推导计算，结论不 变，在此不再赘述。 2 1 3 传递过电压对中性点位移电压的影响 与升压变压器按单元连接的发电机中性点消弧线圈，当变压器高压侧发生单相 接地故障或断路器不同期动作时，可能在发电机电压网络中出现危险的传递过电 压，而使发电机中性点位移电压升高。 传递过电压分为电容耦合传递过电压和直接传递过电压，必须考虑双线圈变压 器从高压侧或三线圈变压器从中压侧和高压侧传递到低压侧的传递过电压。下面做 具体分析。 2 1 3 1 电容耦合传递过电压对发电机中性点位移电压的影响 单元接线的大型发电机经过升压变压器与系统相连。无论双绕组或三绕组变压 器，当高压侧中性点经过消弧线圈接地或着不接地的情况下，高压侧发生单相接地 或断路器不同期动作，变压器中性点出现位移电压，经过高低压绕组间电容耦合传 递至变压器低压侧，可能在发电机电压网络中产生电容耦合传递过电压，引起发电 机中性点电压位移，构成错误信号或误动作。 1 电容耦合过电压公式推导 分析传递过电压的接线图和等值电路图见图2 - 1 1 。 发电机绕组低压绕组与卜1 压绕组 ( a ) 接线图 ( b ) 等值电路 图2 一l l 发电机变压器单元接线电容耦合传递过电压接线图和等值电路图 2 0 华北电力大学硕士学位论文 图中：u o l 变压器高压侧中性点位移电压，当高压侧单相接地时等于高压侧相 电压( 力； 发电机中性点在发生传递过电压时的位移电压( 彤 ； 厶、吒变压器高压侧中性点消弧线圈有功损耗的等效电感池) 和电阻q ) ； 厶、吃发电机中性点消弧线圈有功损耗的等效电感汩) 和电阻q ) ； 名。、名：、，g ，发电机电压回路各相对地泄露电阻q ) ； c 譬。、g ：、q ，发电机电压回路各相对地电容沁) ； q 变压器高低压绕组之间的耦合电容沁) ； r ：、q 发电机电压回路对地总电阻和三相总电容。 当名- 2 厂g ：2 名3 - - - - 时，玄2i 1 + i 3 ；q 2e