高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式研究

錢大勛, 夏 林, 廖述龍[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式研究

錢大勛, 夏 林, 廖述龍
[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

綜述了10 kV柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地的各種方式,對(duì)10 kV柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地電阻值、單相接地故障的短路電流值和保護(hù)定值進(jìn)行了計(jì)算,并結(jié)合上海中心項(xiàng)目提出10 kV柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行策略,以供其他類似項(xiàng)目參考。

10 kV柴油發(fā)電機(jī)組; 中性點(diǎn); 高電阻接地; 單相接地故障; 運(yùn)行策略

0 引 言

配電網(wǎng)中性點(diǎn)與大地之間的電氣連接方式稱為電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式,也可稱為中性點(diǎn)運(yùn)行方式。中性點(diǎn)采用何種接地方式,是一個(gè)涉及面非常廣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。接地方式不同將直接影響電壓的過(guò)壓值、電氣設(shè)備絕緣水平、電網(wǎng)運(yùn)行可靠性、繼電保護(hù)的選擇性和靈敏度,以及對(duì)通信線路的干擾等。

1 中性點(diǎn)常用接地方式

電力系統(tǒng)中常用系統(tǒng)接地分為以下四種:

(1) 中性點(diǎn)直接接地:高壓交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地,系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)會(huì)形成單相接地短路,短路電流非常大,對(duì)繼電保護(hù)十分有利,非故障相對(duì)地電壓并不升高,不會(huì)造成間隙性弧光過(guò)電壓。

(2) 中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地:高壓交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)消弧圈接地,中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)電抗器,來(lái)抵消電容電流,限制單相接地故障的短路電流。

(3) 中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地(又分高電阻、低電阻):高壓交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)高電阻接地,中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)阻抗較大的電阻,把單相接地故障的短路電流限制在5～20 A;高壓交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)低電阻接地,中性點(diǎn)與接地點(diǎn)之間串入一個(gè)阻抗較小的電阻,把單相接地故障的短路電流限制在100～1 000 A。

(4) 中性不接地:高壓交流電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地,系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)單相接地電流為電容電流,當(dāng)單相接地電流較小(不大于10 A)時(shí),系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行1～2 h,供電連續(xù)性較好,缺點(diǎn)是發(fā)生單相接地故障時(shí)易產(chǎn)生電弧,且接地電流較大時(shí)電弧不能自熄,導(dǎo)致產(chǎn)生間隙性弧光過(guò)電壓,危害設(shè)備,破壞絕緣甚至造成多相短路。

1.1 影響選擇接地方式的因素

影響選擇接地方式的因素有：① 供電可靠性;② 人身設(shè)備安全;③ 過(guò)電壓因數(shù);④ 繼電保護(hù);⑤ 投資。

1.2 常用中性點(diǎn)接地方式綜合比較

常用中性點(diǎn)接地方式綜合比較如表1所示。

表1 常用中性點(diǎn)接地方式綜合比較

2 高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)常用接地方式

當(dāng)采用中性點(diǎn)不接地時(shí),如果單相接地故障點(diǎn)位于高壓柴油發(fā)電機(jī)外部,若電容電流大于一定數(shù)值,故障點(diǎn)電弧不能自行熄滅,往往伴隨間隙性電弧,使建全相產(chǎn)生過(guò)電壓,造成絕緣損壞,且發(fā)電機(jī)△接法高次諧波會(huì)形成環(huán)流線圈發(fā)熱,故通常采用Y接線。耐壓標(biāo)準(zhǔn)為1.5倍額定線電壓,即2.6U相。

高壓柴油發(fā)電機(jī)通常采用高電阻接地方式,為保證高壓柴油發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行,必須保證在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),非故障相過(guò)電壓低于2.6U相,若不出現(xiàn)間隙性弧光電壓,接地點(diǎn)的阻性電流IR需大于系統(tǒng)總的電容電流I∑c,一般IR≥(1.0～1.5)I∑c,可進(jìn)一步抑制過(guò)電壓倍數(shù)小于2.5U相,當(dāng)IR≥3.0I∑c(或Xc/R≥3.0)時(shí)從抑制內(nèi)部過(guò)電壓效果來(lái)看即可滿足,如圖1所示。

高電阻接地方式只有在接地電流較小時(shí),自動(dòng)熄弧效果才明顯,一般適用接地電容電流小于10 A高壓系統(tǒng),上海中心應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電容電流I∑c為6 A。

通過(guò)分析發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電阻接地的機(jī)理,為滿足發(fā)電機(jī)接地型式的原則要求,發(fā)電機(jī)組接地型式應(yīng)采用高電阻接地方式。

優(yōu)點(diǎn):① 可保證供電的連續(xù)性,當(dāng)單相接地故障電流低于高壓柴油發(fā)電機(jī)安全容許值時(shí),可帶故障運(yùn)行(一般為2 h)。② 間隙性電弧過(guò)電壓被抑制,使過(guò)電壓低于2.6U相。③ 繼電保護(hù)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn):① 適用于較小規(guī)模的高壓系統(tǒng)接地電容電流(小于10 A),限制了使用范圍。② 單相接地故障發(fā)生短路電流較大時(shí),電流流經(jīng)電阻帶來(lái)發(fā)熱問(wèn)題,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)燒毀電阻。

圖1 系統(tǒng)阻抗與暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)關(guān)系圖

3 上海中心應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻選型

3.1 中性點(diǎn)接地電阻選型

各柴油發(fā)電機(jī)公司對(duì)中壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻選型不一樣,控制方式也不同,國(guó)家對(duì)此也沒有統(tǒng)一規(guī)定。

(1) 有接地電流控制在100～150 A,也有控制在10～30 A,也有為額定電流的10%。

(2) 多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)+多臺(tái)接觸器+合用1個(gè)電阻接地方案,也有多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)+多臺(tái)接觸器+多個(gè)電阻接地方案,前者造價(jià)低、占地小,但控制邏輯復(fù)雜,后者反之。

(3) 有采用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行時(shí)采用1個(gè)接觸器閉合來(lái)控制環(huán)流,也有采用多個(gè)接觸器閉合有環(huán)流控制器方案。

上海中心應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻為

因此,選用4臺(tái)2 500kW(備用功率)/10.5kV,合用1臺(tái)303Ω帶溫度報(bào)警高壓電阻箱,采用4臺(tái)高壓交流接觸器投切。

4 高電阻接地單相接地故障短路電流計(jì)算

電纜單相接地故障短路電流示意圖如圖2所示。

圖2 電纜單相接地故障短路電流示意圖

電纜完全金屬性單相接地故障短路電流為

其中,Icx為被保護(hù)線路電容電流,上海中心最短一路電纜電容電流值為0.15 A,最長(zhǎng)一路電纜電容電流值為0.7 A。

電纜故障點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻Rg=(30～300)Ω,單相接地故障短路電流為

當(dāng)應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障總短路電流為20.7A,最大運(yùn)行方式時(shí)4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)各負(fù)擔(dān)電流5.2 A,最小運(yùn)行方式時(shí)3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)各負(fù)擔(dān)電流6.9 A,不影響柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

5 高電阻接地線路的零序電流繼電保護(hù)和高壓電阻箱的零序繼電電流保護(hù)計(jì)算

5.1 線路的零序電流保護(hù)Idz0x計(jì)算

按躲過(guò)被保護(hù)線路電容電流條件,計(jì)算線路零序電流保護(hù)定值為

Idz0x=KIcx

式中:K——可靠系數(shù),取4～5。

靈敏度為

Km=Id/Idz0x≥2

主保護(hù)時(shí),Km≥2,后備保護(hù)時(shí)Km≥1.5。

線路零序CT變比為100/1,零流1電流保護(hù)定值(二次側(cè))為

Idz0x=5×0.53/100=0.0265 A

取0.06A/0.8 s(發(fā)信)時(shí),靈敏度為

Km=20.7/(0.06×100)≈3.4≥2

零流2電流保護(hù)定值(二次側(cè))為

Idz0x= 4×0.53/100=0.0212 A

取0.03/1.6 s(發(fā)信)時(shí),靈敏度為

Km=11.3/(0.03×100)≈3.8≥2

5.2 高壓電阻箱的零序電流保護(hù)Idz0R計(jì)算

比下級(jí)零序保護(hù)定值大1.1～1.2倍,時(shí)限大Δt=0.3 s。

高壓電阻箱零序CT變比為50/5,零流1電流保護(hù)定值(二次側(cè))為

Idz0R= 1.1×0.06×100/10=0.66 A

取0.7A/1.1 s(發(fā)信)時(shí),靈敏度為

Km=20.7/(0.7×10)≈2.9≥2

零流2電流保護(hù)定值(二次側(cè))為

Idz0R= 1.1×0.03×100/10=0.33 A

取0.4A/1.9 s(發(fā)信)時(shí),靈敏度為

Km=11.3/(0.4×10)≈2.8≥2 為確保人身安全,接觸電壓應(yīng)滿足國(guó)家規(guī)范:當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間大于1 s時(shí),接觸電壓值為50 V。

故障點(diǎn)對(duì)地電壓為

Ugz=IdRjd=20.7×1=20.7 V<50 V

其中,Rjd為接地電阻值,≤1.0 Ω。

6 高電阻接地運(yùn)行策略

(1) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),短路電流較小,不足以使高壓電阻箱溫度報(bào)警,也不影響柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行,4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)按中性點(diǎn)接高電阻接地方式運(yùn)行。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),短路電流較大,使高壓電阻箱溫度報(bào)警,柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)控制4臺(tái)高壓交流接觸器切除中性點(diǎn)接地的高電阻,4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)按中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行。

(3) 4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)按中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行,系統(tǒng)電纜的對(duì)地電容電流I∑cL計(jì)算如表2所示。由表2可知,上海中心的線路電容電流和約為4 A。

表2 系統(tǒng)電纜的對(duì)地電容電流I∑cL計(jì)算

含系統(tǒng)配電柜和電纜對(duì)地形成系統(tǒng)電容電流為

I∑c=α(1+β)I∑cL=

1.3×(1+15%)×4=6 A

式中:α——裕度系數(shù),取1.2～1.8;β——配電裝置影響率,取15%～20%。

(4) 中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行時(shí)線路零序電流保護(hù)靈敏度(后備保護(hù)≥1.5)為

Km= (I∑c-Icx)/Idz0x=(6-0.53)/3≈1.8≥1.5

(5) 中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行方式對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的影響。單相接地故障電流為系統(tǒng)總電容電流6 A,最大運(yùn)行方式時(shí)4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)各負(fù)擔(dān)電流1.5 A,最小運(yùn)行方式時(shí)3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)各負(fù)擔(dān)2.0 A,不影響柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

7 中性點(diǎn)接地電阻系統(tǒng)圖

上海中心應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 上海中心應(yīng)急高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻系統(tǒng)

8 結(jié) 語(yǔ)

高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式是涉及面非常廣的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。各國(guó)、一個(gè)國(guó)家中的不同城市的配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式都不盡相同,主要根據(jù)自身的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)來(lái)確定。

[1] 李潤(rùn)先.中壓電網(wǎng)系統(tǒng)接地實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002,[2] 祝彥兵.船舶高壓交流電力系統(tǒng)綜合保護(hù)研究與設(shè)計(jì)[D].遼寧：大連海事大學(xué),2012.

[3] 朱杰民,隋永正.水電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇分析[J].東北水利水電,1999(5):4-6.

[4] 王衛(wèi)斌,張俊敏,周小波.上海市南10 kV電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式分析[J].華東電力,2007(12):82-85.

Study on Neutral Point Grounding Mode of High Pressure Diesel Generator

QIAN Daxun, XIA Lin, LIAO Shulong

[Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China]

This paper summarized the various modes of neutral point grounding of 10 kV diesel generator set.The resistance value of neutral point grounding,short-circuit current value and protection setting value of 10 kV diesel generator set were calculated.The operation strategy of 10 kV diesel generator was proposed according to Shanghai Tower project.It could provide references for similar projects.

10 kV diesel generator; neutral point; high resistance grounding; single phase grounding fault; operation strategy

錢大勛(1957—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。

TU 856

B

1674-8417(2015)10-0020-04

2015-09-23

夏 林(1964—),男，高級(jí)工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作。

廖述龍(1981—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。