張本偉,夏天,馮珂,張寧
(1.哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001;2.中國(guó)船級(jí)社,北京 100007;3.上海船舶工藝研究所,上海 200030)
單相接地故障特征和中性點(diǎn)接地方式密切相關(guān),相同的故障條件但不同的中性點(diǎn)接地方式所表現(xiàn)出來的故障特征、后果和危害完全不同,所需要采用的保護(hù)策略也完全不同。根據(jù)美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),中性點(diǎn)接地方式主要包括不接地、小電阻接地[1]、高阻接地[2]、直接接地和經(jīng)消弧線圈接地[3]。在我國(guó),陸地上35 kV及以下配電系統(tǒng)主要采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式,統(tǒng)稱為非有效接地系統(tǒng)。
常見的船舶與海上設(shè)施基于閉合母排的中壓電站組成及型式見圖1,系統(tǒng)由星型繞組發(fā)電機(jī)組、母排、母聯(lián)、負(fù)載、電纜、變壓器/變頻器、斷路器/保護(hù)裝置等組成[4]。
圖1 船舶中壓配電系統(tǒng)
發(fā)電機(jī)組發(fā)出電能,通過進(jìn)線開關(guān)與中壓母排連接。每組發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)1段母排,同1冗余組內(nèi)的發(fā)電機(jī)母排之間可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)或者母聯(lián)連接。不同冗余組之間的母排通過母聯(lián)連接,母聯(lián)通常設(shè)置有2個(gè)斷路器,1主1副,通過設(shè)置短路、接地、相不平衡等保護(hù),實(shí)施不同冗余組之間的保護(hù)。整個(gè)母排通過母聯(lián)連接,形成環(huán)狀中壓母排電站。各段母排分別向推進(jìn)器、作業(yè)負(fù)荷、生活用電等負(fù)載供電,這些負(fù)載的饋電開關(guān)一般帶有過載、短路、接地、欠壓等保護(hù)?;陂]環(huán)母排的中壓電站,可以依據(jù)整個(gè)電站功率需求,實(shí)時(shí)調(diào)整最小在線發(fā)電機(jī)數(shù)量,從而減小排放,節(jié)省燃油,使電站更加綠色經(jīng)濟(jì)。但是受制于冗余動(dòng)力定位電站要求,對(duì)于閉環(huán)母排電站最小在線發(fā)電機(jī)數(shù)量要求為2臺(tái)。
對(duì)于孤島性的船舶基于閉環(huán)母排的中壓電站,必須要采用精準(zhǔn)可靠的保護(hù),保證單個(gè)故障不影響超出1個(gè)冗余組的母排電站正常使用,避免引起推進(jìn)等重要負(fù)荷過載、脫扣或者全船失電。通常,單個(gè)故障包括短路、接地、相不平衡、頻率/電壓突變,其中接地故障是常見且重要的故障模式。
電站接地發(fā)生之后,通常會(huì)有發(fā)電機(jī)、電纜、配電板、負(fù)載等帶有容性電阻引起的容性電流,以及這些通過這些產(chǎn)生的阻性電流。電站發(fā)生單相接地之后,會(huì)造成電站不穩(wěn),對(duì)人員造成危害,產(chǎn)生間斷的弧光接地,線路短路等,必須選取合適的接地電阻,限制接地之后的接地電流,避免對(duì)電站和人員造成危害,同時(shí)采取保護(hù)動(dòng)作,保證電站安全。
對(duì)船舶孤島性中壓閉環(huán)電站,其容量比較大,發(fā)電機(jī)、電纜、負(fù)載等的容性電阻引起的容性電流必須結(jié)合阻性電阻的電流一起考慮,設(shè)計(jì)合理可靠的接地電阻及保護(hù)設(shè)置,避免中壓接地系統(tǒng)的接觸不良以及單相接地引起局部高壓對(duì)接地系統(tǒng)及人員造成的危害,同時(shí)也使某點(diǎn)單相接地之后該點(diǎn)對(duì)地電流限制到合理的范圍,不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成瞬間沖擊。
綜上所述,如果選用中性點(diǎn)不接地或者消弧線圈接地,受制于其接地電阻小或者不靈敏等因素影響,不能保證船舶電站及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地故障并采取保護(hù)措施隔離或者分?jǐn)喙收希瑖?yán)重威脅電站的可靠性和穩(wěn)定性,因此船舶中壓閉環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)通常采用高阻接地,通過計(jì)算選取合適的接地電阻,并據(jù)此整定接地保護(hù),一旦發(fā)生電站任何地方發(fā)生接地故障之后,都能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和動(dòng)作,保證系統(tǒng)的安全可靠。
在中壓配電系統(tǒng)中,某點(diǎn)接地一般是指中壓配電系統(tǒng)中某單相接地,其中2相或3相接地一般當(dāng)做短路處理。這里只分析單相中壓配電線接地。
如圖2所示,當(dāng)某點(diǎn)單相接地之后,接地點(diǎn)通過在線星型繞組發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地電阻,導(dǎo)致每臺(tái)在線發(fā)電機(jī)都形成回路,形成接地電流。對(duì)地回路產(chǎn)生的對(duì)地電流包括組性電流和容性電流。其容性電流由發(fā)電機(jī)組、電纜等貢獻(xiàn),與接地點(diǎn)形成回路,有電流產(chǎn)生。這時(shí)對(duì)接地點(diǎn)期望產(chǎn)生的電流特性有[5]:①電流應(yīng)該盡可能小,以便不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊和影響;②電壓盡可能低,防止產(chǎn)生瞬時(shí)高壓,對(duì)周圍設(shè)備和人身造成危害。
圖2 接地回路示意
滿足①就是要選定發(fā)電機(jī)接地電阻盡可能大,電網(wǎng)承受時(shí)間盡可能長(zhǎng),這就要求滿足電阻要足夠大,但是如果電阻過大,電流太小,不利于保護(hù)設(shè)定,承受時(shí)間長(zhǎng)則意味著對(duì)電網(wǎng)設(shè)備性能要求高,滿足②需要阻性電阻大于容性電阻,防止容性成分過大,瞬間電壓過高。為此,考慮通過計(jì)算選取合適的接地高電阻。
對(duì)于中壓電站,為了減小容性電流帶來的影響,通常要求阻性電流大于容性電流[6]。
IR0≥IC0=3×IC0J
(1)
式中:IR0為三相對(duì)地阻性電流,A;IC0為三相對(duì)地容性電流,A;IC0J為單相對(duì)地容性電流,A。
依據(jù)電力行業(yè)通常做法,計(jì)算電網(wǎng)中的容性電流(IC0)。
1)電纜。
(2)
2)機(jī)械設(shè)備。
(3)
式中:Cj為電纜每相對(duì)地容性電阻;C0為整個(gè)繞組每相容性電阻;l為電纜長(zhǎng)度, m;ω為2πf,Un為相電壓,V。
以某海洋平臺(tái)中壓電站的模型為例,該平臺(tái)中壓電站為閉環(huán)母排(同圖1),且設(shè)計(jì)最小發(fā)電機(jī)(星型繞組)臺(tái)數(shù)為2臺(tái),中壓電站額定電壓為6.6 kV,頻率為50 Hz,有3個(gè)冗余組,3段母排,每段母排上有2臺(tái)發(fā)電機(jī),共計(jì)配置6臺(tái)發(fā)電機(jī)。
電站中產(chǎn)生容性電流的設(shè)備主要包含發(fā)電機(jī)、電纜、變壓器及變頻器因?yàn)楦行云骷挥杩紤]。
圍繞各段母排,發(fā)電機(jī)進(jìn)線、負(fù)載饋線等電纜的不同型號(hào)電纜容性參數(shù)詳見表1,相關(guān)電纜容性電流計(jì)算見表2及表3。
表1 不同編號(hào)電纜對(duì)應(yīng)容性參數(shù)
電纜作為容性電流源,參照式(2),目標(biāo)海洋平臺(tái)中壓電站在閉合母排工況下,相關(guān)電纜產(chǎn)生容性電流的計(jì)算結(jié)果見表2。因?yàn)?號(hào)和3號(hào)中壓配電板上電纜的容性電流計(jì)算方法和步驟與1號(hào)中壓配電板相同,所以對(duì)2號(hào)和3號(hào)中壓配電板上電纜的容性電流計(jì)算按照實(shí)際配置進(jìn)行計(jì)算,這里只列出來計(jì)算結(jié)果。
表2 目標(biāo)海洋平臺(tái)各母排上的電纜的容性電流計(jì)算
發(fā)電機(jī)作為容性電流源,參照式(3),目標(biāo)海洋平臺(tái)中壓電站發(fā)電機(jī)產(chǎn)生容性電流的計(jì)算結(jié)果見表3。因?yàn)?號(hào)和3號(hào)中壓配電板上發(fā)電機(jī)的容性電流計(jì)算方法和步驟與1號(hào)中壓配電板上的發(fā)電機(jī)相同,所以對(duì)2號(hào)和3號(hào)中壓配電板上發(fā)電機(jī)的容性電流計(jì)算按照實(shí)際進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。
表3 目標(biāo)海洋平臺(tái)各母排上的發(fā)電機(jī)的容性電流計(jì)算
綜合表1~3,每一段母排上的總的容性電流計(jì)算結(jié)果見表4。
表4 目標(biāo)海洋平臺(tái)各母排上的容性電流計(jì)算 A
考慮最小在線發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái),閉環(huán)母排下,2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線時(shí),總?cè)菪噪娏鲬?yīng)為6臺(tái)發(fā)電機(jī)減去4臺(tái)發(fā)電機(jī)。
IC0=5.5-0.37×4=4.02 A
依據(jù)式(1),總阻性電流IR0可以選為6 A,某點(diǎn)接地時(shí)單個(gè)發(fā)電機(jī)的阻性電流應(yīng)為3 A,單臺(tái)發(fā)電機(jī)接地電阻R為1 270 Ω。
如圖3所示,中壓電站的單相接地點(diǎn)可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)出線端處,進(jìn)線開關(guān)到母排之間,母排上或者母聯(lián)電纜上。各類接地故障發(fā)生之后,因?yàn)橛邪l(fā)電機(jī)高阻接地系統(tǒng),保護(hù)分析及整定的方法和原理相同。
圖3 發(fā)電機(jī)進(jìn)線接地示意
以BUS-A 1號(hào)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生接地為例進(jìn)行分析。
當(dāng)BUS-A 1號(hào)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生單相接地之后,在線發(fā)電機(jī)高阻接地段接地,發(fā)電機(jī)出線端單相接地,形成閉合接地回路。針對(duì)在線發(fā)電機(jī)的接地回路有1號(hào)發(fā)電機(jī)高阻接地點(diǎn)與發(fā)電機(jī)出線端接地點(diǎn)電位相同,形成的1號(hào)回路;BUS-B 或BUS-C上發(fā)電機(jī)高阻接地點(diǎn)與1號(hào)發(fā)電機(jī)出線端接地點(diǎn)電位相同而形成的2號(hào)或3號(hào)回路(因?yàn)榧僭O(shè)閉環(huán)母排電站上只有2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線),因?yàn)椴捎酶咦杞拥?,單臺(tái)發(fā)電機(jī)接地電流均為3 A。
依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求[7],對(duì)于中壓電站中性點(diǎn)接地保護(hù),應(yīng)該設(shè)有一層保護(hù)和二層保護(hù),確保電站接地故障的安全隔離,保證電網(wǎng)安全。
依據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦的做法,保護(hù)整定值為
Iset≤IR0/3
(4)
以BUS-A 1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地故障為例。整個(gè)電網(wǎng)為閉環(huán)電網(wǎng),假設(shè)最小有2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線,保護(hù)整定分析過程如下。
BUS-A 1號(hào)發(fā)電機(jī)出線端接地故障發(fā)生之后,形成回路1和回路2或者回路3三個(gè)接地回路,1號(hào)回路上1號(hào)發(fā)電機(jī)的阻性電流為3 A,未穿過進(jìn)線開關(guān),但是回路2或者回路3的接地故障電流為3 A,流過1號(hào)發(fā)電機(jī)的進(jìn)線開關(guān)。依據(jù)式(4),發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)整定為1 A,該電流通過進(jìn)線開關(guān)零序電流互感器進(jìn)行測(cè)量,副邊側(cè)電流作為控制輸入到綜保,在設(shè)定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。
BUS-A 1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地故障發(fā)生之后,2號(hào)或3號(hào)回路上的另1臺(tái)發(fā)電機(jī)(非A排上)阻性電流為3 A,其穿過母聯(lián)及發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)。依據(jù)式(4),發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)整定為1 A(也可以整定到母聯(lián)上),該電流通過母聯(lián)電纜零序電流互感器進(jìn)行測(cè)量,副邊側(cè)電流作為控制輸入到綜保,在設(shè)定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。
當(dāng)出現(xiàn)某相接地之后,將導(dǎo)致1號(hào)發(fā)電機(jī)出線端開口三角形電壓不為零,這時(shí)原邊相電壓經(jīng)過電壓互感器繞組,變成保護(hù)輸入值,通過綜保在設(shè)定時(shí)間內(nèi)觸發(fā)1號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)動(dòng)作,實(shí)施保護(hù)。整定公式如下[8]。
(5)
式中:U為保護(hù)輸入值;Un為線電壓;μ為開口三角形電壓整定系數(shù);n為電壓互感器變比。因?yàn)殡妷喝菀资艿接绊懀砸话汩_口三角形電壓只作為備用保護(hù)。
以發(fā)電機(jī)進(jìn)線端接地為例,整定結(jié)果見表5。
表5 目標(biāo)海洋平臺(tái)BUS-A發(fā)電機(jī)進(jìn)線接地保護(hù)整定
因?yàn)閱闻_(tái)發(fā)電機(jī)接地電阻選取的原因,單臺(tái)發(fā)電機(jī)最大接地電流為3 A,如果在線發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)比較多時(shí),依據(jù)接地故障點(diǎn)的位置不同,穿過發(fā)電機(jī)進(jìn)線開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)的接地電流可能為3的倍數(shù),均可通過零序電流互感器,但是整定電流應(yīng)依據(jù)電站可能的在線發(fā)電機(jī)最小臺(tái)數(shù)進(jìn)行最終整定選取,這里因?yàn)榭紤]到是閉環(huán)母排中壓電站,最小在線臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。
船舶與海上設(shè)施上的孤島性中壓電站采用高阻接地時(shí),中性點(diǎn)接地電阻的計(jì)算選取十分重要。在閉環(huán)母排下,至少兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在線的工況下,可計(jì)算確定接地高阻接地電阻。并分析了這種工況下電站發(fā)生接地故障之后接地點(diǎn)的接地電流,后依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中壓閉環(huán)母排接地保護(hù)的要求,對(duì)發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生接地故障之后的一次保護(hù)、二次保護(hù)和后備保護(hù)的整定過程進(jìn)行了詳細(xì)分析,可以做為船舶閉合母排中壓電站采用高阻接地時(shí)接地保護(hù)整定的參考方法。
如果電站存在單臺(tái)發(fā)電機(jī)在線工作的情況下時(shí)(非閉環(huán)母排),這時(shí)還需要進(jìn)行計(jì)算,比較得出最小保護(hù)整定值,寫入綜保,保證電站的接地保護(hù)適用于所有電站工況,及時(shí)實(shí)施接地保護(hù),確保中壓電站的運(yùn)行安全。
船舶孤島性電站對(duì)安全性和穩(wěn)定性要求比較高,在實(shí)際工程項(xiàng)目中,還需要對(duì)接地保護(hù)整定值進(jìn)行實(shí)船實(shí)效試驗(yàn)驗(yàn)證。