水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的研究

李大慶，田雷

水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的研究

李大慶，田雷

水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)需要與水泥生產(chǎn)線現(xiàn)有電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式需要與水泥生產(chǎn)線現(xiàn)有電網(wǎng)接地方式匹配。參考國內(nèi)外發(fā)電機(jī)接地故障電流允許值要求，本文對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)主要接地方式進(jìn)行分析對(duì)比，就各自優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，為水泥生產(chǎn)線余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇提供參考。

發(fā)電機(jī)；中性點(diǎn)；接地方式；余熱電站

1　前言

水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)定子繞組的單相接地，是由于定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞或者發(fā)電機(jī)出口電纜的單相接地造成的，是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障。

由于水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)需要與水泥生產(chǎn)線原有配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，所以發(fā)電機(jī)接地方式要與水泥生產(chǎn)線原有電網(wǎng)保持一致。

國內(nèi)水泥生產(chǎn)線余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)主要的接地方式是不接地和經(jīng)消弧線圈接地，定子單相接地故障并不會(huì)產(chǎn)生大的故障電流，所以定子繞組單相接地保護(hù)通常只發(fā)信號(hào)而不跳閘，在定子單相接地保護(hù)動(dòng)作發(fā)出信號(hào)后，運(yùn)行人員應(yīng)減小機(jī)組負(fù)荷，盡快實(shí)現(xiàn)停機(jī)檢修。

國外項(xiàng)目發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式多樣，存在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式，定子單相接地故障時(shí)通過小電阻將故障電流控制在幾百安培（一般是200～600A）。故障電流選擇需考慮最小化故障，減小設(shè)備損壞，同時(shí)，繼電保護(hù)裝置得到有效電流信號(hào)，可以選擇性跳閘。

2　國內(nèi)外對(duì)發(fā)電機(jī)定子單相接地電流允許值的研究

早在1933年，前蘇聯(lián)電站部技術(shù)司曾規(guī)定發(fā)電機(jī)單相接地電流允許值為5A。＜5A時(shí)，允許發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)繼續(xù)運(yùn)行2h，以便值班人員采取適當(dāng)措施；＞5A時(shí)，單相接地故障的發(fā)電機(jī)將保護(hù)跳閘。

上世紀(jì)70年代初，捷克動(dòng)力研究院通過試驗(yàn)研究證明，單相接地電流持續(xù)2A是安全的，考慮一定裕度，規(guī)定單相接地電流允許值為1.0～1.5A。

瑞士BBC曾認(rèn)為接地電流20～40A，持續(xù)2s時(shí)，鐵芯僅輕微損傷，發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障后要進(jìn)行檢修，上述輕微損傷是可以接受的。

有的國家甚至將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)附加電阻接地，使接地故障電流達(dá)到100A，相應(yīng)的定子接地保護(hù)不僅沒有死區(qū)，而且還能區(qū)分接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部或外部，這對(duì)于共母線的中小型發(fā)電機(jī)的定子接地保護(hù)是必要的，但也不是唯一的或是最好的方案。所以增大接地故障電流的保護(hù)方案必須使故障發(fā)電機(jī)立即跳閘。

上世紀(jì)80年代初，我國河南電力科學(xué)試驗(yàn)研究所進(jìn)行了定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗(yàn)。試驗(yàn)得出了在不同額定電壓及容量下發(fā)電機(jī)定子發(fā)生單相接地故障時(shí)允許的接地電流值。

單相接地安全電流值見表1。

當(dāng)單相接地電流小于上述安全電流時(shí)，定子接地保護(hù)動(dòng)作后可考慮只發(fā)信號(hào)而不跳閘，但應(yīng)及時(shí)處理轉(zhuǎn)移負(fù)荷，平穩(wěn)停機(jī)以免另一點(diǎn)再發(fā)生接地故障而燒毀發(fā)電機(jī)。

因此，限制單相接地電流在安全值范圍內(nèi)，是保證發(fā)電機(jī)安全的一個(gè)重要條件。

3　發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式

發(fā)電機(jī)單相接地故障會(huì)灼傷鐵芯，因?yàn)椴煌妷旱燃?jí)的發(fā)電機(jī)其電容電流形成電弧的大小不同，而且電壓越高，形成電弧的電流越小，所以電壓越高定子接地保護(hù)的啟動(dòng)值也越小。如果進(jìn)一步發(fā)展，首先是鐵芯灼傷后會(huì)造成磁場(chǎng)分布不均，定子繞組局部溫度高，后果必然是相間短路損壞發(fā)電機(jī)。不同的中性點(diǎn)接地方式對(duì)應(yīng)著不同的單相接地故障的處理方式（圖1）。

3.1中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地

（1）定子單項(xiàng)接地故障時(shí)通過小電阻將故障電流限制在幾百安培（一般是200～600A）。故障電流選擇需考慮最小化故障，減小設(shè)備損壞，同時(shí)，繼電保護(hù)裝置得到有效電流信號(hào)，可以選擇性跳閘。

（2）故障電流的下限選擇根據(jù)保護(hù)裝置的靈敏性，故障電流的上限選擇基于接地期間電站的損失和對(duì)電纜屏蔽的損害。

（3）對(duì)多電源系統(tǒng)，總的接地故障電流會(huì)非常高。中性點(diǎn)低電阻接地對(duì)于連接的公共母線上的發(fā)電機(jī)是常用的接地方式，饋電保護(hù)要有選擇性。當(dāng)發(fā)電機(jī)和星形接線的變壓器并列連接到母線上、發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行時(shí)，允許變壓器中性點(diǎn)接地。

3.2中性點(diǎn)不接地

適用于125MW及以下的中小機(jī)組，且單相接地電流應(yīng)不超過允許值。此時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)電壓為額定相電壓的避雷器，防止三相進(jìn)波在中性點(diǎn)反射引起過電壓；在出線端應(yīng)裝設(shè)電容器和避雷器，以削弱當(dāng)有發(fā)電機(jī)電壓架空直配線時(shí)進(jìn)入發(fā)電機(jī)的沖擊波陡度和幅值。

發(fā)電機(jī)單相接地電流允許值以河南電力科學(xué)試驗(yàn)研究所進(jìn)行的定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗(yàn)為基礎(chǔ)。

3.3中性點(diǎn)經(jīng)高電阻（發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻柜）接地

（1）適用于200MW及以上的大機(jī)組。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地后，可達(dá)到：限制過電壓≯2.6倍額定相電壓；限制接地故障電流≯10～15A；為定子接地保護(hù)提供電源，便于檢測(cè)。

（3）為減小電阻值，一般經(jīng)配電變壓器接入中性點(diǎn)，電阻接在配電變壓器的二次側(cè)。部分機(jī)組也有不經(jīng)過配電變壓器而直接接入數(shù)百歐姆的高電阻。

（4）發(fā)生單相接地時(shí)，總的故障電流不宜＜3A，以保證接地保護(hù)不帶時(shí)限，立即跳閘停機(jī)。

3.4中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（諧振）接地

（1）適用于單相接地電流大于允許值的中小機(jī)組，或200MW及以上要求能帶單相接地故障運(yùn)行時(shí)的大機(jī)組。

（2）對(duì)具有直配線的發(fā)電機(jī)，宜采用過補(bǔ)償?shù)姆绞剑粚?duì)單元接線的發(fā)電機(jī)，宜采用欠補(bǔ)償方式。經(jīng)補(bǔ)償后的單相接地電流一般＜1A，因此，可不跳閘停機(jī)，僅作用于信號(hào)。

（3）消弧線圈可接在直配線發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)上，也可接在廠用變壓器的中性點(diǎn)上，當(dāng)發(fā)電機(jī)為單元連接時(shí)，則應(yīng)接在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)上。

表1　單相接地安全電流值

圖1　發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障示意圖

4　發(fā)電機(jī)各中性點(diǎn)接地方式優(yōu)缺點(diǎn)

4.1中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地

（1）巨大的有效故障電流保證了母線和出線斷路器繼電保護(hù)的靈敏性和選擇性。

（2）限制暫態(tài)過電壓到一個(gè)中等的值，相對(duì)其他接地方式潛在花費(fèi)少。

（3）高電流接地故障時(shí)，發(fā)電機(jī)定子鐵芯疊片可能會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱。

（4）多電源并列的多點(diǎn)接地系統(tǒng)，大電流可能導(dǎo)致嚴(yán)重的損壞，故障電流大的變化可能會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)的配合問題。應(yīng)適當(dāng)考慮中性點(diǎn)通過避雷器的接地方式。

蘇丹某項(xiàng)目水泥生產(chǎn)線原配電系統(tǒng)接地方式為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)小電阻接地，限制接地電流為50A。繼電保護(hù)主保護(hù)設(shè)置為12A，0s跳閘，并設(shè)置后備保護(hù)3A，1s跳閘。

4.2中性點(diǎn)不接地

（1）由于發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)不接地運(yùn)行，當(dāng)定子繞組發(fā)生單相接地時(shí)，流過故障點(diǎn)的電流僅為很小的電容電流，有效地限制了接地電流的破壞作用。到目前為止，我國、前蘇聯(lián)及一些其他國家的電容電流較小的發(fā)電機(jī)，中性點(diǎn)仍采用這種不接地方式。

（2）隨著機(jī)組容量的增大和運(yùn)行電壓的升高，當(dāng)電容電流接近或達(dá)到某一臨界值時(shí)，接地電弧不能自行熄滅，電弧接地過電壓又會(huì)產(chǎn)生新的危害。隨著機(jī)組容量的增大，鐵芯燒損后果嚴(yán)重，允許的接地故障電流日趨減少。所以這種不接地方式的應(yīng)用，受到接地電容電流的限制。

國內(nèi)余熱發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)多數(shù)為經(jīng)避雷器接地。繼電保護(hù)設(shè)置，根據(jù)不同繼電保護(hù)廠家的設(shè)備設(shè)置定子接地保護(hù)定值：或者為一點(diǎn)接地報(bào)警，兩點(diǎn)接地跳閘；或者為一點(diǎn)接地設(shè)置2個(gè)定值，分別實(shí)現(xiàn)報(bào)警和跳閘。

4.3中性點(diǎn)經(jīng)高電阻（發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻柜）接地

（1）對(duì)于300MVA及以上的大容量發(fā)電機(jī)組，目前世界各國普遍采用的是中性點(diǎn)經(jīng)高電阻或中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。采用中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式，其主要目的是限制接地電弧重燃及中性點(diǎn)出現(xiàn)的積累性電壓升高，從而降低電弧接地過電壓。目前對(duì)于水泥廠余熱發(fā)電機(jī)組使用較少。

（2）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式有許多方案，其中以單相配電變壓器電阻的方案為最優(yōu)。配電變壓器二次側(cè)所接的電阻為一消能元件，可增大零序回路阻尼，抑制暫態(tài)過電壓。但因此也增大了接地電流，這就要求當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)能迅速切除機(jī)組。

（3）由于此種裝置簡(jiǎn)單且易于配置，故得到廣泛的應(yīng)用。在西方歐美國家已經(jīng)形成一種使用慣例，在國內(nèi)許多大型汽輪發(fā)電機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)也都采用配電變壓器的接地方式。

（4）這種接地方式的缺點(diǎn)是無法減小接地電容電流，只能增大接地故障電流。因此對(duì)于大電容電流發(fā)電機(jī)，接地故障電流數(shù)倍乃至十?dāng)?shù)倍地超過發(fā)電機(jī)的安全接地電流，暫態(tài)接地電流更大，使短時(shí)間跳開故障的發(fā)電機(jī)鐵芯迭片的熔化焊接現(xiàn)象也很難避免，難以適用這種接地方式。

4.4中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（諧振）接地

（1）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的作用是：利用其產(chǎn)生一個(gè)電感電流，與接地點(diǎn)的電容電流的方向正好相反，將電容電流抵消，以消除產(chǎn)生電弧的條件，將接地故障電流保持在較低的水平。

（2）世界上第一臺(tái)消弧線圈（諧振）接地方式，于1917年在德國Pleidelsheim電廠發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)投入運(yùn)行。隨著理論和實(shí)踐的不斷充實(shí)，諧振接地逐漸在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。我國和前蘇聯(lián)大容量的水輪和汽輪發(fā)電機(jī)、歐洲的部分發(fā)電機(jī)和美國新英格蘭電力系統(tǒng)中的所有發(fā)電機(jī)，中性點(diǎn)全部經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行，長期以來效果良好。諧振接地方式已經(jīng)成為足以與高電阻接地方式匹敵的另一大分支。美國AIEE旋轉(zhuǎn)電機(jī)專業(yè)委員會(huì)曾經(jīng)在《同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地方式應(yīng)用指南》中，明確指出了發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)諧振接地方式具有限制暫態(tài)過電壓等優(yōu)點(diǎn)。

（3）盡管消弧線圈的接地方式在國內(nèi)大電容電流發(fā)電機(jī)上得到了一定的應(yīng)用，但是消弧線圈的接地方式還存在以下不利因素：

a參數(shù)選擇須考慮的因素較多。如果沒有經(jīng)過全面的分析計(jì)算，選定的參數(shù)不合適，將會(huì)使發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電壓長期有較大偏移，甩負(fù)荷時(shí)電壓偏移更大。

b潛在的過電壓危險(xiǎn)。研究表明，當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在電網(wǎng)側(cè)時(shí)，零序電壓經(jīng)耦合電容傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)，若采用過補(bǔ)償方式，傳遞過電壓可能趨向無窮大，將威脅發(fā)電機(jī)安全。而采用完全補(bǔ)償方式，又會(huì)出現(xiàn)人們所擔(dān)心的諧振過電壓。因此，理論上經(jīng)消弧線圈接地方式應(yīng)該是欠補(bǔ)償方式。然而在實(shí)際應(yīng)用中過補(bǔ)償方式卻運(yùn)用最多。另外，在發(fā)電機(jī)組啟、停及甩負(fù)荷等過程中，如果再出現(xiàn)接地或二次重燃，將會(huì)有較大的暫態(tài)過電壓。準(zhǔn)確分析暫態(tài)過電壓的大小，是十分困難的。國內(nèi)外都只是通過仿真進(jìn)行模擬估算，在消弧線圈內(nèi)阻較小，脫諧度很小時(shí)，間歇電弧會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓。

c保護(hù)配置比較復(fù)雜，需要增設(shè)高壓側(cè)零序制動(dòng)電壓，以防止保護(hù)誤動(dòng)。

國內(nèi)水泥生產(chǎn)線原有配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地，增加發(fā)電機(jī)后單相接地電容電流值超過國標(biāo)中的允許值，選擇余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，消弧線圈容量選擇需要依據(jù)整個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)。

5　結(jié)論

上文分析了各種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，由此，我們可以得到如下結(jié)論：

（1）國內(nèi)外電網(wǎng)的發(fā)展水平相差較大，水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地方式要依據(jù)當(dāng)?shù)貒业那闆r具體考慮。

（2）水泥生產(chǎn)線余熱電站項(xiàng)目大多是在水泥生產(chǎn)線原有配電系統(tǒng)中增加發(fā)電機(jī)，并與原有配電網(wǎng)并列運(yùn)行。

余熱電站發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式要根據(jù)原有電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式，綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，在保證繼電保護(hù)合理配置的前提下進(jìn)行。

（3）水泥廠配電網(wǎng)采用小電阻、消弧線圈接地方式，或者不清楚現(xiàn)有電力系統(tǒng)接地方式。

在對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)接地方式不產(chǎn)生影響的情況下，我們可以考慮選擇中性點(diǎn)經(jīng)避雷器接地的方式，優(yōu)點(diǎn)如下：

a不影響原有系統(tǒng)接地方式，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)影響小。

b根據(jù)配電網(wǎng)需要，單相接地故障需要發(fā)電機(jī)跳閘停機(jī)，可以通過繼電保護(hù)裝置設(shè)置。

c將來若要改變中性點(diǎn)的接地方式，也很容易實(shí)施。

[1]弋東方.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2]中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主編.小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[3]西北電力設(shè)計(jì)院主編.發(fā)電廠變電所電氣接線和布置[M].北京：水利電力出版社，1984.

[4]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用第二版[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5]GB14285-2006，繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[6]GB/T7064-2008，隱極同步電機(jī)技術(shù)要求[S].

[7]IEC60034-1-2004，Rotating electrical machines Part 1:Rating and performance[S].

[8]grounding and ground fault protection of multiple generator installations on medium-voltage in?dustrial and commercial power systems.Prafulla Pillai(Chair),Alan Pierce,Bruce Bailey,Bruce Douglas,Charles Mozina,Clifford Normand,Daniel Love,David Shipp,Gerald Dalke,James R. Jones,Jay Fischer,Jim Bowen,Lorraine Padden,Louie Powell,Neil Nichols,Ralph Young,Norman T.Stringer.

Study on Neutral Grounding Mode Using on Waste Heat Power Station in Cement Plant

TQ172.622.22

A

1001-6171（2016）05-0072-04

通訊地址：中材節(jié)能股份有限公司，天津300400；2016-06-22；編輯：趙星環(huán)