[b]0　引言 [/b]　　大型發電機定子中性點接地方式的研究，很多文獻都作了不同程度的介紹［1～8］。有的進行了定性分析［8］，有的給出了定量計算［1，2，6］。在模型的選擇上有的采用集中參數電路模型［2］，有的采用準分布參數電路模型［1］。在分析方法上有利用暫態網絡分析儀（TNA）［2］、對稱分量法［3，4］和PSPICE電路仿真［1］等方法。在接地方式的選擇上有的偏向高電阻接地［7］，有的則注重消弧線圈接地［4］。文獻［2］使用集中參數電路模型、利用暫態網絡分析儀（TNA）對高電阻和消弧線圈兩種接地方式進行了研究，并給出了健全相過電壓與頻率的變化關系曲線，但由于集中參數電路模型過于簡化，則會帶來不可避免的誤差。而對稱分量法是建立在穩態基礎上，不能準確地描述暫態量的關系。文獻［1］考慮了發電機定子繞組對地分布電容的存在，使用準分布參數電路模型、利用PSPICE電路仿真軟件對上述兩種接地方式進行了仿真研究，并用多種方法驗證了準分布參數電路模型的正確性，由于篇幅的限制，有些問題沒有涉及。本文擬在文獻［1］的基礎上使用準分布參數電路模型、利用PSPICE電路仿真軟件對高電阻和消弧線圈兩種接地方式的有關問題作進一步探討，基本內容為：兩種接地方式在燃弧時的過電壓和接地電流；考慮燃弧的暫態過程中定子繞組的超瞬變電樞反應感抗影響后的電壓和電流；準分布參數電路中單元回路形式不同時的影響，單元電路串聯個數不同時的影響；消弧線圈電阻的存在、發電機頻率的變動、每次燃弧時間的長短以及多次燃弧等問題的影響。并與前人的研究結果進行了比較，分析了兩種接地方式的優缺點，指出了在接地方式的選擇上應注意的問題。對發電機接地方式的選擇具有重要意義。 [b]1　研究對象、模型、基本假設 [/b] 1.1　研究對象 　　研究對象與文獻［1］相同，即二灘電站水輪發電機，基本數據為：額定頻率PN=550 MW,額定電壓UN=18 kV，額定電流IN=19 630 A，額定功率因數cosφN=0.9，額定空載電壓時的勵磁電流IF0=1 587 A，額定負載時的勵磁電流IFN=2 709 A，定子繞組每相并聯支路數a=6,定子每支路串聯線圈數N=27，極對數P=21，每相對地電容C0=1.686 μF，定子每相電阻（75 ℃時）RS=3.6 mΩ，定子每相漏電感LS=227.05μH，額定頻率fN=50 Hz。消弧線圈接地中性點感抗XN為推薦值XC0/3，高電阻接地中性點電阻RN（從配電變壓器原邊看）亦為推薦值XC0/3，其中XC0為發電機每相對地容抗，因此得LN=2.003 2 H和RN=629.32 Ω。 1.2　電路模型 　　考慮發電機定子繞組對地分布電容的存在，采用由單元電路串聯而成的準分布參數電路模型，圖1中（a）、（b）為兩種單元電路形式。 由6個（a）單元電路串聯而成的準分布參數電路如圖2，電感、電阻、電容、電動勢分別為 由6個（a）單元電路串聯而成的準分布參數電路如圖2，電感、電阻、電容、電動勢分別為 當中性點為消弧線圈接地方式時，若在A相兩次燃弧，得到B，C相電壓仿真波形圖5和圖6（為體現燃弧切除后電壓恢復過程的節拍振蕩，所取時間較長，包含波數較多，顯得比較密集），從圖中知，單次燃弧的過電壓與高電阻接地方式的過電壓接近，重燃的過電壓要比單次燃弧時大，顯然也大于高電阻接地時重燃的過電壓，并且燃弧切除后的恢復電壓形成節拍振蕩，恢復較慢。圖7為中性點電壓波形，該電壓相當于單相電壓的暫態值，該值遠遠偏離了正常運行時中性點的對地電壓。 表1給出了兩種接地方式的過電壓和接地電流的數值比較（過電壓取B，C相中較大者，下同）。 表1　兩種接地方式的電壓和電流值 高電阻接 地（單燃） 高電阻接 地（重燃） 消弧線圈接 地（單燃） 消弧線圈接 地（重燃） 過電壓/kV 37.313 37.427 38.700 50.457 接地電流/A 33.036 0 33.205 0 0.558 8 2.348 4 2.2　考慮仿真電路中的電感為超瞬變電樞反應電感時的仿真 　　文［1］中定子繞組的電感取漏電感LS，但在燃弧的暫態過程中， 仿真電路中的電感取超瞬變電樞反應電感較為合理，考慮這個因素，則各相電感量要大于LS，我們將燃弧時定子繞組的超瞬變電感分別設置為漏電感的2倍（2LS）和4倍（4LS）。仍用電路圖2，在消弧線圈接地方式下重燃與LS對比仿真計算，得到表2的結果，從表中對比可知：當仿真電路采用超瞬變電樞反應電感時，燃弧時健全相的過電壓有所增加，而接地電流有所減小。顯然考慮了超瞬變電樞反應感抗影響后更接近實際。 表2　不同LS的電壓和電流 　 LS 2LS 4LS 過電壓/kV 50.457 51.764 53.795 接地電流/A 2.348 4 1.872 1 1.739 0 2.3　不同的單元電路形式串聯時的仿真 　　采用圖1（b）的單元電路，組成由6個單元電路串聯而成的分布參數電路模型，對其仿真計算（消弧線圈接地），得到過電壓和接地電流分別為52.117 kV和2.784 7 A，與表2的第2列（圖2電路的結果）比較可知，單元回路的形式不同，其結果便不相同，在實際中應從最壞處考慮。 2.4　由個數不同的單元電路串聯的準分布參數電路的仿真 　　采用圖1（a）的單元回路，分別組成由3個單元串聯、6個單元串聯、10個單元串聯、18個單元串聯的準分布參數電路，與文獻［2］的集中參數電路進行重燃對比仿真（消弧線圈接地），得到表3的結果，從表中比較可知，隨著單元電路串聯個數的增加，健全相過電壓呈增加趨勢，但其增加的幅度越來越小，這種增加不是無限的，必定有個上限值。顯然，由18個單元電路串聯而成的準分布參數電路更接近實際。 表3　個數不同的單元電路串聯時的電壓和電流 　 集中參數 3個 單元串 6個 單元串 10個 單元串 18個 單元串 過電壓/kV 44.586 47.250 50.457 52.300 52.461 接地電流/A 1.666 0 0.985 5 2.348 4 2.443 6 1.486 1 2.5　考慮消弧線圈電阻時的仿真 　　實際的消弧線圈存在一定的電阻，考慮了電阻的存在，對圖2電路進行仿真，得到表4的結果，可以看出，與消弧線圈串聯一個合適的電阻，不僅可使健全相過電壓大大降低，接近高電阻接地時的過電壓值（表1），同時可使電弧電流（取單次燃弧和重燃時的較大值）小于或接近消弧線圈接地時的電弧電流。綜合考慮過電壓和電弧電流，與消弧線圈串聯的電阻值在10 Ω（ωLN的1.6%）至40 Ω（ωLN的6.4%）之間，均為較理想的選擇。 表4　消弧線圈串電阻的電壓和電流值 　無電阻 串電阻/Ω 5 10 20 過電壓/kV 50.457 42.587 39.934 38.858 接地電流/A 2.348 4 0.767 6 1.268 5 1.493 2 　 串電阻/Ω 30 40 50 100 過電壓/kV 　38.418 　38.485 　38.868 　38.574 接地電流/A 2.369 0 2.708 4 3.407 2 6.000 9 2.6　發電機頻率變動時的仿真 　　考慮到發電機啟動、停機、突然過載下的發生接地，其頻率有一個波動范圍，在不考慮發電機電動勢幅值變化時，對圖2頻率為40 Hz，50 Hz，60 Hz的情況進行仿真，結果如表5。從表中知，頻率變動對高電阻接地時的過電壓影響不大，但消弧線圈接地時過電壓和燃弧電流均有所增加。通過對多個頻率點的仿真計算，可得出重燃時健全相過電壓標幺值與頻率的變化關系曲線圖8，該圖與文［2］中Brown P G 等人的研究結果相比較為平坦，這是因為本文采用了準分布參數電路，并考慮了定子繞組的電阻與電感的緣故。 表5　頻率不同時的電壓和電流 f/Hz 高電阻接地 消弧線圈接地 40 50 60 40 50 60 過電壓 /kV 38.450 38.731 38.780 55.184 50.457 55.680 接地電 流/A 36.675 35.513 36.695 12.302 2.348 4 12.855 1為消弧線圈接地方式（中性點為純電感）； 2為高阻接地方式； 3為消弧線圈接地方式（中性點電感有一定電阻） 圖8　過電壓與頻率的關系曲線 2.7　過電壓與燃弧時間長短的關系 　　上面的仿真中，第一次及第二次的燃弧時間均選擇3個工頻周期。如果燃弧時間取別的整周期數（我們又分別做了2，5，7，10個周期等），仿真結果與上面沒有明顯的差別。 2.8　關于第三次或多次燃弧 　　重燃切除后在A相節拍振蕩過電壓的最大幅值處第三次燃弧，在健全相產生的過電壓與第二次燃弧時的值差別甚小。用同樣的方法進行第四、第五及更多次燃弧，其結果基本相同。但實際上這樣的幾率是極小的。 [b]3　結論 [/b]　　（1） 對高電阻和消弧線圈兩種接地方式，燃弧后的健全相過電壓分為三個階段：一是尖峰，將其展開后實際為一暫態過程；二是尖峰過后燃弧期的過電壓穩態值，其等于線電壓值；三是燃弧切除后的電壓恢復階段，高電阻接地方式恢復較快，這對系統有利，但對燃弧點來說，恢復速度快意味著燃弧點的電離介質要承受比較大的電壓沖擊和較大的重燃概率；而消弧線圈接地方式恢復過程為節拍振蕩，恢復較慢，這對系統不利，但卻使重燃的概率減小了。 　　（2） 燃弧開始時的尖峰來源于電容的瞬間放電，與繞組瞬變電感形成暫態振蕩衰減電流，這樣的電流在各相電阻和電感上均要產生壓降，其疊加在B相和C相電壓上即形成更大的暫態過電壓尖峰，該尖峰對電機絕緣非常不利。 　　（3） 消弧線圈接地時燃弧切除后電壓的節拍振蕩，是由于消弧線圈與電容進行能量交換，形成衰減較慢的振蕩電壓，其頻率較接近50 Hz的電源頻率，與電源電壓疊加后形成較大周期的節拍振蕩電壓。若稍改變消弧線圈的電感或改變電源頻率，拍周期將會大大縮短。 　　（4） 對于消弧線圈接地方式，如果在發電機啟動、停機或失步等情況下使頻率偏離額定頻率時發生燃弧，過電壓和接地電流均增加。一旦出現這種情況，應采取切機、滅磁等措施，避免該現象發生。 　　（5） 高電阻接地方式過電壓較小，單相接地電流較大。在選擇高電阻接地方式作為發電機定子中性點保護方式時，必須針對接地電流比較大的問題，采取相應的措施，防止出現鐵心在大電流下的燒蝕。 　　（6） 消弧線圈接地方式過電壓較大，單相接地電流較小。若采用消弧線圈接地方式作為發電機定子接地保護，應解決好電弧重燃引起大的過電壓以及頻率變動時過電壓和接地電流增加等問題。若與消弧線圈串聯一個合適的小電阻，可以比較有效地抑制過電壓，同時保留接地電流比較小的優點。 作者簡介：李汝良（1956-），男，教授，在河南省商丘師專物理系電機及其控制專業工作，現為清華大學電機工程系訪問學者，從事電機暫態過程的研究；李義翔（1974-），男，博士生，從事電機暫態過程的研究；王祥珩（1940-），男，教授，博士生導師，從事電機分析和控制、電氣傳動及其自動化方面的研究。 [b]參考文獻 [/b] 〔1〕　李義翔，王祥珩，王維儉，等.大型發電機定子中性點接地方式研究的一種新途徑［J］.電網技術，1997，21（9） 〔2〕　Brown P G， Johnson I B， Stevenson J R. 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