发电机断路器对单相接地故障影响的研究

余银辉，王文明，孙 炜

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518120)

0 引言

近年来，随着发电机出口断路器容量、可靠性及经济性的提高，国内采用发电机出口断路器（GeneratorCircuitBreaker，GCB)的大型发电机组逐渐增多，老旧发电厂采用新型发电机出口断路器取代原负荷开关的改造也日益增多。加装发电机出口断路器可提高发变组保护水平，缩小故障范围。对于1000MW及以上机组应用场合，目前瑞士ABB公司的HEC7/8型发电机断路器在世界范围内具有最大的市场占有率。

1 负荷开关改造概况

某核电厂发电机出口负荷开关为瑞士ABB公司生产的DR36U1250型老式气动开关。基于多方面原因，对该核电厂发电机负荷开关及其附属设备进行整体换型改造。根据短路电流等参数的校核，最终选择瑞士ABB公司的HEC7B型发电机出口断路器。系统改造前后结构如图1，2所示。

改造后，发电机出口断路器每相的发电机侧和变压器侧电容分别为132nF和260nF。电容的作用在于限制断路器分断时的暂态恢复过电压。

该电厂发电机中性点采用经中性点接地变压器高电阻接地方式。2台完全一样的中性点接地变压器，分别位于发电机中性点和厂变A中性点。均按阻性电流5A配置配电变压器及二次侧电阻。

图1 系统改造前后结构

高阻接地的目的是限制定子绕组单相接地故障的间歇性弧光暂态过电压和2次(或多次)重燃的动态过电压，也因此增大了接地电流，使发电机定子绕组发生单相接地故障时能迅速切除机组，使其免受损坏。

2 对单相接地故障电流的影响

发电机定子单相接地故障是发电机的一种主要故障类型。定子绕组发生单相接地故障时，若发电机本身及其引出回路所连接元件的对地电容电流超过允许值，将烧伤定子铁芯，进而造成定子绕组绝缘烧损，引起匝间或相间短路。如不及时处理，易引起故障点局部过热，烧毁定子线棒及铁芯。故障电流产生的电弧会灼伤接地点的铁芯，具体表现为铁芯有烧痕甚至是明显的小坑，线棒绝缘烧损有熔渣；电弧还会灼伤其他部位，扩大绝缘损坏程度。此外，铁芯叠片烧结在一起，会产生涡流并引起定子绕组局部温升加剧，进一步破坏绝缘。当出现另一点接地时，就会造成匝间或相间故障，使发电机受到更为严重的破坏。

电容电流Ic与电容C的大小成正比:

式中:V——发电机额定电压；

故障电流I如下式：

式中:IR——发电机定子接地阻性电流。

对改造前后单相接地故障电流进行分析计算，结果如表1所示。

表1 GCB改造前后发电机单相接地故障电流计算

改造前发电机单相接地故障电流为10.85A，而改造后发电机单相接地故障电流将增大为13.93A。

DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，“单相接地故障电流一般限制为 10A”。IEEEC37.101规定，“限制单相接地故障电流在3—25A”。美国电气标准和英国电气规程规定，为了减少单相接地故障时对设备的损坏程度，故障电流应限制在10—15A。GB14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定，可根据发电机厂家的要求设计单相接地故障电流的限值。

德国西门子公司提出，发电机单相接地故障电流必须限制在15A以下，接地保护动作于跳闸，以减轻定子铁芯损伤。

20世纪90年代初期，我国在引进百万千瓦级别机组期间针对发电机中性点接地方式进行了大量的研究。对于百万千瓦级别机组，国际上普遍采用高阻接地方式，而国内普遍采用谐振接地方式。谐振接地方式下单相接地故障电流可限制在1A以下，而高阻接地方式的单相接地故障电流则大许多。国内某科研院所采用某大型水电厂现运行发电机组的备用件进行了模拟故障电流对铁芯的烧损研究，试验铁芯电压等级15.75kV，用0.5mm冷轧硅钢片专门制作，铁芯全长0.5m，重约300kg。试验时，在线棒上人工钻1个小孔，以实现引弧，通过改变电容器值以获得所需电流值，在有效值为31.2A的故障电流下，不同燃弧时间对铁芯的破坏结果如表2所示。

表2 电弧烧损试验结果

从试验结果可以看出，因持续时间极短，铁芯只有轻微的熔焊现象，只需略作修补即可；其发生涡流发热或相间短路等继发性故障的可能性极小。

综上，改造后的单相接地故障电流值符合国际标准要求，比DL/T620—1997规定的值略高；从试验结果来看，该故障电流不会对发电机造成不可修复的损坏。

3 对单相接地故障弧光接地过电压的影响

故障电流产生的电弧带来的瞬态接地过电压在故障相和非故障相都会引起电压升高，过电压对绝缘亦有破坏作用。国内外的研究表明，在高阻接地情况下，过电压只需10ms就能衰减。

美国在20世纪30—40年代，对高阻接地方式进行暂态仿真试验，给出了重燃弧过电压与中性点接地电阻之间的关系曲线，如图2所示。研究表明，发电机单相接地、任意重燃次数的过电压数值Utr与中性点电阻的功耗、三相定子绕组对地电容的无功伏安有关。当二者比值接近1时，Utr=2.6Eph(Eph为额定相电压的峰值)，相当于新机出厂试验电压3.5Eph的75%。进一步减小中性点接地电阻值R(即增大有功功耗),对减小Utr的作用已不明显，但是却会增加故障电流。

图2 过电压与有功损耗和无功损耗的比值的对应关系

DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，“高电阻接地的系统设计应符合R0≤XC0的准则，以限制由于电弧接地故障产生的瞬态过电压。”

DL/T5090—1999《水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则》4.5节规定，“发电机的暂时过电压为2.6Eph，即1.5倍发电机额定电压，即发电机的工频耐压试验值。”

GCB改造后，在GCB闭合状态下，单相接地故障情况下的容性电流(9.71A)仍然低于阻性电流(10A)，满足设计及相关标准要求；在GCB打开状态下(机组并网前)，单相接地故障情况下容性电流(5.54A)将大于阻性电流(5A)，不满足相关标准要求。阻性电流和容性电流的比值为0.9，阻抗和容抗的比值为1.1，过电压约为2.72Eph(按照比值为1，过电压2.6倍；比值为0.75，过电压为2.9倍，线性拟合得出)。

预试规程中规定，“发电机定子绕组交流耐压试验，运行20年以上不带架空线试验电压为1.3—1.5Un。”

该发电机绝缘水平较高。发电机定子绕组出厂耐压实验为55kV，约为3.67倍额定相电压；其中单根线棒主绝缘为71kV，短时耐受2.72Eph,完全在发电机的耐压设计值内。

4 国内外应用现状

据相关文献，大型发电机中性点经接地变压器高阻接地方式，有的接地电阻已不按2.6p.u.的过电压限制，而是按单相接地电流应尽量减小而选取较大的值。

三峡电站也采用了与本次改造类似的GCB。三峡电站2号机组的接地电阻选型突破了传统的比值为1的要求，阻抗和容抗的比值为1.17。文献8指出，当限制中性点电流为5A时，发电机中性点等值电阻与对地容抗之比Rn/XC为4.8,此时发生单相接地故障时暂态过电压将达到3.5倍额定电压。分析认为，三峡电站发电机定子绕组主绝缘等级高，且定子绕组对地电容大，单相接地故障时的电容电流比较大，因此定子绕组单相接地故障引起的危害，过电压是次要的，故障电流是主要的；选取发电机中性点接地电阻大小时，应适当放宽对过电压的限制。

5 结论

通过对某电厂负荷开关整体换型的改造，计算和研究发电机出口断路器电容对发电机单相接地故障电流及瞬态过电压的影响，认为单相接地故障电流从10.85A增加为13.93A不会对发电机造成严重的损坏事故。机组并网前单相接地故障情况下弧光过电压为 2.72Eph，略超过相关标准 (2.6Eph)的要求，但低于该电厂发电机的绝缘等级，与预试规程要求的1min耐压试验电压相当，且故障情况下过电压持续时间很短(小于1s)，故认为单相接地故障情况下的弧光接地过电压也不会对发电机产生严重的损坏事故。以上分析结论可为老旧发电厂进行发电机出口断路器整体换型改造提供参考。

参考文献：

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3 王志英，容健纲．发电机中性点接地方式的研究[J]．电网技术，1994，18(7)：13-17.

4 狄莹．大容量发电机出口断路器对中性点接地设备选择的影响研究[J]．吉林电力，2012，40(3)：4-5.

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6 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．继电保护和安全自动装置技术规程:

G B/T14285—2006[S]．北京：中国质检出版社，2006．

7 中华人民共和国国家经济贸易委员会．水力发电厂过电压保护和绝缘配合设计技术导则：DL/T5090—1999[S]．北京：中国电力出版社，1999．

8 张琦雪，王维俭，王祥珩．三峡大型发电机中性点接地电阻的合理选择[J].继电器，2005，33(15)：5-8.

9 中华人民共和国电力工业部．交流电气装置的过电压保护和绝缘配合:DL/T620—1997[S]．北京:中国电力出版社，1997．