海阳核电一期工程主变压器低压侧加装接地变压器方案的探讨.docx

海阳核电一期工程主变压器低压侧 加装接地变压器方案的探讨介绍了海阳核电一期工程电气系统的接地方式和接地 变压器的技术特点，分析了主变压器低压侧与 GCB 之间 设置接地变压器的原因，介绍了接地变压器容量的计算过 程，最后简要介绍了接地变压器的布置方案和运行方式， 为后续核电厂接地变压器的设计提供参考宋光耀 郑海龙 夏晓磊 / 山东核电有限公司海阳核电一期工程电气系统接地 方式简介AP1000 是国家引进西屋公司的第 三代核电技术，和国内成熟的二代核电 技术相比，电气系统的设计存在较大不 同，尤其是全厂接地系统AP1000 的 标准设计遗漏了主变压器低压侧接地变 压器的设置，成为目前电气系统设计最 大的变更依据中方和西屋联队签订的核岛设为不接地系统接地变压器的技术特点简介在我国电力系统中，6 kV、10 kV 和 35 kV 电网一般都采用中性点不接地的运 行方式电网中主变压器配电侧一般为三 角形联结，没有可供接地电阻的中性点 当中性点不接地系统发生单相接地故障 时，线电压三角形仍然保持对称，对用户 继续工作影响不大 ( 只要设备的绝缘性能 能够承受线电压)并且电容电流比较小 ( 小于 10 A) 时，一些瞬时性接地故障能 够自行消失，这对提高供电可靠性，减少 停电事故是非常有效的。

但是随着电力行业发展，各级电网逐 步扩大，尤其是电缆电路的增多，电容电 流越来越大在发生单相接地故障时，非 故障相对地容性电流之和超过 10 A，接地 宋光耀 / 工程师关键词/ Keywords 接地变压器· 单相变压器·容性电流· 弧光过电压·计合同，联队负责发布全厂原则性的电 气单 线 图 西 屋公司向美国核管会 ( NＲC) 的执照申请设计文件中明确规 定，电气系统的接地方式要求如下:1) 主发电系统 ZAS发电机中性 点设置单相接地变压器，规定发电机中 性点接地方式为高阻接地2) 主交流电源系统 ECS每台辅 助 变 压 器 和 高 厂 变 压 器 的 低 压 侧 (10. 5 kV 侧) 为星形接线方式，中性 点经 6. 06 Ω 电阻接地，接地方式为小 电阻接地方式; 在中压配电系统发生单 相接地故障时，保护装置会自动无延时 切断故障回路低压供电系统接地方式 为三相五线制 TN—S3) 1E 级和非 1E 级直流 UPS 系统电弧不能可靠熄灭，电网的不接地运行就 会产生以下后果:1) 单相接地电弧发生间歇性的熄灭 与重燃，会产生弧光接地过电压，其幅值可达 4U ( U 为正常相电压峰值) 或者更 高，持续时间长，会对电气设备的绝缘造 成极大的危害，在绝缘薄弱处形成击穿， 造成重大损失。

2) 由于持续电弧造成空气的离解， 破坏了周围空气的绝缘，容易发生相间 短路3) 产生铁磁谐振过电压，容易烧坏 电压互感器并引起避雷器的损坏甚至可能 使避雷器爆炸这些后果将严重威胁电网 设备的绝缘，危及电网的安全运行为了防止上述事故的发生，为系统提www. eage. com. cn2014 年 3 月下·建筑电气· 73方案设计 | Engineering Design供足够的零序电压和零序电流，使接地保护可靠 动作，需人为建立一个中性点，以便在中性点接 入接地电阻接地变压器就是人为制造了一个中 性点接地电阻另外接地变压器特有的电磁特性，由于每相 铁心柱上两段绕组绕向相反，同心柱上两绕组流 过相等的零序电流，其感应电动势大小相等，方 向相反，正好相互抵消因此呈低阻抗，而对正 序、负序电流呈高阻抗，绕组中只流过很小的励 磁电流当系统发生接地故障时，在绕组中将流过正 序、负序和零序电流，该绕组对正序和负序电流 呈现高阻抗，由于很多接地变压器只提供中性点 接地小电阻，而不需带负载，所以很多接地变压 器就是属于无二次的接地变压器在电网正常运 行时，相当于空载状态但是，当电网发生故障 时，只在短时间内通过故障电流。

中性点经小电 阻接地电网发生单相接地故障时，高灵敏度的零 序保护判断并短时切除故障线路，接地变压器只 在接地故障至故障线路零序保护动作切除故障线 路这段时间内起作用，中性点接地电阻和接地变 压器才会通过零序电流根据上述分析，接地变压器的运行特点是: 正常工况长时空载; 单相接地短时过载主变压器低压侧加装接地变压器的原因1. 问题的提出海阳核电的主发电系统接线图如图 1 所示， 系统采用发电机 － 变压器组的单元接线方式，经 主变压器升压后接入 500 kV 系统发电机和主变 压器之间装设出口断路器，发电机经离相封闭母 线和主变压器低压侧相连，高厂变压器也由主回 路离相封闭母线 T 接需要注意的是高厂变压器 的高压侧和主变压器低压侧均为角接核电厂的主变压器除了完成向电网送出功率 之外，同时还承担着机组倒送厂用电的功能以下两种工况 GCB 将处于打开状态:1) 在机组处于调试和正常起动阶段，高厂变 压器通过主变压器倒送提供厂用电; 500 kV 电源 系统可靠性最高，被规定为优先电源74 ·建筑电气·2014 年第 33 卷第 6 期图 1 主发电系统简图2) 发电机在运行状态下突发故障，发电机 保护动作，跳开 GCB， 主变压器同样能够通过 500 kV 倒送电至高厂变压器。

一旦 GCB 处于打开状态，高厂变压器高压侧 和主变压器低压侧之间的 24 kV 电气回路没有接 地点，成为不接地系统若此电气回路发生单相 接地故障，短路点产生弧光过电压，持续时间长， 主变压器低压绕组和高厂变压器高压绕组将要承 受过电压，存在绝缘击穿的风险，导致事故进一 步扩大化由于系统为不接地系统，零序电流无法产生， 并且其故障电流主要为非故障相对地的容性电流 之和，电流有效值不大 ( 计算约为 1. 65 A)如 果保护装置的灵敏度不够，则无法跳开相应断路 器，故障点无法从系统中隔离2. 咨询其他项目配置情况三门核电同意在主变压器低压侧加装接地变 压器，该接地变压器放在了离相封闭母线的合同 范围内，接地变压器的布置放在常规岛主厂房内， 防护等级为 IP44岭澳、方家山和福清等核电工程都安装主变 压器低压侧的接地变压器，主要是考虑到核电工 程检修周期比较长，主变压器、高厂变压器设备 的重要性较高，因此核电工程考虑加装接地变压 器而火电厂检修周期比较短，并且发电机出口 没有设置断路器，不存在主变压器倒送电至 厂 用电的情况，因此火电工程一般不考虑设置 接 地变压器电容 ( 每相)电容值 / μF主变压器低压侧绕组对地电容0. 026两台高厂变压器高压侧绕组对地电容0. 009 4GCB 靠近主变压器侧浪涌保护装置对地电容0. 26从 GCB 到主变压器、高厂变压器段的离相母线对地电容0. 021电容总和0. 316Vgen槡3x6;接地海阳核电一期工程主变压器低压侧加装接地变压器方案的探讨Engineering Design | 方案设计主变压器低压侧接地变压器容量计算1. 计算输入依据各电气设备供货商 ( 主变压器、高厂变二次侧阻抗上的电压 ( 接地变压器二次侧为 开口三角，相当于接地变压器的二次绕组电势之 和)Es压器等) 接地变压器一次接线图如图 2 所示。

提 供的每相对地电容值，求和结果如表 1 所示VＲ = 3 槡3 二次侧电阻值= 190. 5 VＲ = IVＲco － Sec 2= 0. 529 ΩPＲ = ＲICO = 68. 56 kW 电阻的最小功率，选用 85 kWTＲ = VGEN Ico = 39. 6 kvar每相的视在功率，选用 40 kvar总的故障电流2222 A = 2. 33 A图 2 接地变压器一次接线图表 1 输入值IG － system = 槡3IＲO + 3ICO = 槡1. 65 3. 计算结果 计算结果如表 2 所示表 2 计算结果+ 1. 650. 529 (190 V)400 (85 kW)218. 18接地变压器二次侧电阻值 / Ω 接地变压器额定电流 / A 接地变压器变比接地变压器容量 ( 每相) / kV·A40 ( 最小值)2. 计算过程分析对每相而言，需要考虑 20% 裕量的系统电容C = 0. 316 μF × 1. 2 = 0. 379 μF系统容性阻抗值4. 采购技术规范书输入 采购技术规范书如表 3 所示。

表 3 采购技术规范书输入参数参 数 值X = 10 10 6 Ω 额定短时外施耐受 绝缘 80 2πfC = 2π × 50 × 0. 379 = 8 399 Ω容性充电电流值24 000 A 水平 / kV电压 ( 方均根值)额定雷电冲击耐受 电压 ( 峰值)150ICO == 槡3 × 8 399 Ω= 1. 65 A变压器柜体防护等级IP32电阻材料采用镍铬合金符合 考虑到故障状态下，接地变压器一次侧最低应能承受系统的相 － 相电压，因此接地变压器的 一次 电 压 值 为 24 000 V 一 次 额 定 电 压 Ep = 24 000 V; 二次额定电压 ES = 110 V; 接地变压器 电阻型式或型号GB / T 1234—1995 《高电阻电热 合金》 标准或不锈钢、无感式 采用美国 PGＲ 电阻材料接地 时间 10 s变比 K = EpES24 000 V = 110 V= 218. 18变压器二次侧额定电压 / V 190额定电流 / A 400电流，选用 400 AICO － Sec = KICO = 218. 18 × 1. 65 A = 360 A额定频率 / Hz 50阻值 / Ω 0. 529www. eage. com. cn2014 年 3 月下·建筑电气· 75方案设计 | Engineering Design( 续)参数参 数 值单相， 单刀单掷， 手动操 作机构，辅助触点向主控室提供 开关状态型式或型号隔离开关数量额定电压 / kV 额定电流 / A 额定频率 / Hz3 只 / 机245505. 供货方式讨论由于离相封闭母线的供货合同签订时间为 2009 年，主变压器低压侧增加接地变压器是在 2010 年由三菱公司提出，离相封闭母线的供货范 围中并未包含 T 接至接地变压器的分支母线长度。

考虑增设的接地变压器为单相接地变压器， 其高压侧通过离相封闭母线方式和主变压器低压 侧相连，母线的供货商又是变压器供货的合格潜 商因此，公司决定该新增接地变压器由离相封 闭母线厂家供货较为稳妥，通过离相封闭母线的 合同变更便可实现接地变压器的布置方案和运行方式1. 布置方案由图 1 可知，无论是机组调试、起动还是正 常运行，主变压器低压侧的接地变压器均空载并 联在 24 kV 的电气回路当中，接地变压器的可靠 运行同样关联到主变压器的可靠运行结合海阳核电常规岛 GCB 和离相封闭母线的 布置方案，主变压器低压侧接地变压器的布置方 案有如下两种:1) 户外变压器区域但是考虑到室外环境 较恶劣，海边的核电站污秽等级较高，且在变压 器区域不易做遮蔽建筑，如果接地变压器敞开布 置，势必会降低运行可靠性2) 室内布置新增主变压器低压接地变压 器柜 ( 含接地电阻、隔离开关) 安装到常规岛主 厂房 + 16. 0 m 层 T7 轴至 T8 轴之间的毗屋接地 变压器正位于离相封闭母线正上方，便于分支封 母的引接主发电回路的供电可靠性直接关系到发电机76 ·建筑电气·2014 年第 33 卷第 6 期稳定运行，关系到核电厂的负荷可用因子，综合 考虑，业主决定将接地变压器相关设备采用户内 布置。

接地变压器布置图如图 3 所示图 3 接地变压器布置图 2. 运行方式机组正常。