高壓柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高電阻接地方式分析

黃 偉 玲

(上海城市空間建筑設(shè)計(jì)有限公司, 上海 200092)

0 引 言

隨著我國建筑業(yè)的飛速發(fā)展,超大體量的建筑迅猛增長,這類建筑中的一級負(fù)荷和消防負(fù)荷的容量也非常大。

高壓柴油發(fā)電機(jī)作為獨(dú)立運(yùn)行且不受外部電網(wǎng)影響的應(yīng)急電源,因其具有供電半徑大、容量大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在超大體量的建筑設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

高壓柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地與低壓柴油發(fā)電機(jī)不同。低壓柴油發(fā)電機(jī)一般與正常電源一致,中性點(diǎn)直接接地。高壓柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式的選擇是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題,它涉及供電的安全性、可靠性、連續(xù)性、系統(tǒng)過電壓水平、設(shè)備絕緣水平、繼電保護(hù)和投資等。因此,高壓柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地方式是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要前提,值得深入研究。

1 中性點(diǎn)接地方式

高壓接地方式主要有中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)電阻(高電阻或低電阻)接地[1]。

根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》,發(fā)電機(jī)的接地方式主要依據(jù)單相接地故障電容電流來選擇。在主要由電纜線路構(gòu)成的6～35 kV送配電系統(tǒng)中,當(dāng)單相接地故障電容電流較大(100～1 000 A)時(shí),可采用低電阻接地方式,以便快速切除故障;在6 kV和10 kV配電系統(tǒng)中,當(dāng)單相接地故障電容電流不大于7 A且單相接地故障電流小于10 A時(shí),可以采用高電阻接地的方式[2]。通過高電阻接地的方式可以消除大部分諧振過電壓,并且能將非故障相的過電壓限制在相電壓的2.6倍以內(nèi)[3-4],從而確保系統(tǒng)在接地故障條件下還能持續(xù)運(yùn)行,不會(huì)中斷供電。

柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)作為應(yīng)急電源工作時(shí),通常要求其具有非常高的供電可靠性。但相對于公用電網(wǎng)來說,柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的規(guī)模較小,單相接地電容電流一般不大于10 A。因此,高壓柴油發(fā)電機(jī)組一般應(yīng)選擇高電阻接地方式,其接地電阻阻值一般為幾百至幾千歐姆。

對于多臺(tái)高壓柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)供電的情況,中性點(diǎn)接地電阻的設(shè)置主要包括以下兩種方式:

(1) 每臺(tái)機(jī)組配置1臺(tái)接地電阻柜。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置1臺(tái)真空接觸器和1臺(tái)中性線接地電阻柜。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行和檢修方便,而且機(jī)組之間不會(huì)因?yàn)殡妷翰疃纬森h(huán)流。

(2) 多臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)接地電阻柜。并機(jī)運(yùn)行中的多臺(tái)發(fā)電機(jī)組共用1臺(tái)接地電阻柜,所有運(yùn)行機(jī)組的中性點(diǎn)通過真空接觸器連接到接地電阻柜,當(dāng)1臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí),對應(yīng)的接觸器斷開。這種方案的運(yùn)行和操作比較復(fù)雜,由于機(jī)組共用接地,當(dāng)機(jī)組之間的特性不一致時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)流,一般需要配置環(huán)流控制器。

2 高電阻接地方式的計(jì)算與分析

2.1 容易混淆的概念

要對高電阻接地方式進(jìn)行計(jì)算與分析,首先要弄清楚幾個(gè)概念。

2.1.1 單相接地電容電流和正常運(yùn)行一相對地電容電流

由于相對地之間存在著電容,三相電纜線路在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)存在電容電流。由于系統(tǒng)三相電壓對稱,各相對地的電容電流都比其自身的電壓超前90°,而且各自的電容電流大小相同,因此,流過中性點(diǎn)的總電流為0 V。正常工作時(shí)的向量圖如圖1所示。

圖1 正常工作時(shí)的向量圖

圖2 單相接地時(shí)的向量圖

2.1.2 三相對地容抗和每相對地容抗

(1)

2.2 單相接地電容電流

系統(tǒng)的對地分布電容與電網(wǎng)的構(gòu)造、電壓等級、線路長度、制造工藝有關(guān),可以從設(shè)備制造商處獲得相關(guān)的數(shù)據(jù),并將各電容值相加,進(jìn)而得到Xc0和Xcg。

Ic可如式(2)所示:

(2)

式中:Un——系統(tǒng)標(biāo)稱線電壓。

單相接地電容電流由電力線路和電氣設(shè)備兩部分的電容電流組成。

10 kV電纜線路的單相接地電容電流可以按照如式(3)所示經(jīng)驗(yàn)公式[4]進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中:Ici——電力線路單相接地電容電流;

S——線路導(dǎo)體截面;

l——線路長度。

可得整個(gè)系統(tǒng)的單相接地電容電流Ic為

(4)

式中:IcG——變電所電氣設(shè)備的電容電流;

IcT——發(fā)電機(jī)電氣設(shè)備的電容電流。

根據(jù)Ic的范圍選擇正確的接地方式。如果Ic小于7 A,系統(tǒng)可以采用高電阻接地的方式。

2.3 中性點(diǎn)接地電阻

中性點(diǎn)高電阻接地可以限制弧光接地過電壓的原因在于:在接地電弧熄弧后,系統(tǒng)對地電容中的殘余電荷能通過中性點(diǎn)電阻泄放,從而抑制了電弧的重燃。

電網(wǎng)中,絕緣最薄弱的中壓電機(jī)的耐受電壓為1.5倍的線電壓,即2.6倍相電壓[3-4]。當(dāng)系統(tǒng)的過電壓倍數(shù)在2.6以下時(shí),能滿足要求。

文獻(xiàn)[5]中關(guān)于中性點(diǎn)接地電阻Rn的計(jì)算如式(5)所示:

(5)

式中:K——單相接地短路時(shí)電阻電流與電容電流的比值,一般為1.1。

K與Xcg/Rn的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)Xcg/Rn≥1時(shí),K在2.6倍以下。如果Xcg/Rn的比值繼續(xù)增大,其對K的限制作用已不再明顯。因此,可以計(jì)算出中性點(diǎn)接地電阻為

(6)

圖3 K與Xcg/Rn的關(guān)系

該方法能保證系統(tǒng)的過電壓限制在一個(gè)安全的水平。

兩者計(jì)算結(jié)果一致。

2.4 常見的計(jì)算錯(cuò)誤

(1) 根據(jù)接地故障電流反算接地電阻電流。

由圖2可知,當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),故障點(diǎn)的故障電流Id是中性點(diǎn)電阻電流IR和Ic的矢量和,IR滯后于接地電容電流90°,即:

(7)

在高電阻接地系統(tǒng)中,必須限制單相接地故障電流在一定的值以下,這是系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的前提。因此,有些電氣設(shè)計(jì)師直接選定Id=10 A,則IR為

(8)

只要弄清楚三相對地容抗和每相對地容抗的關(guān)系,或者畫出單相接地的等效電路,就能得出IR/Ic≥1。單相接地等效電路如圖4所示。

圖4 單相接地等效電路

以上兩種錯(cuò)誤的計(jì)算會(huì)導(dǎo)致所選接地電阻電流過大,這樣不但增加了電阻器的容量,而且加大了人身接觸的危險(xiǎn)性。

3 工程實(shí)例

某新城大型地下空間總建筑面積約300 000 m2。根據(jù)負(fù)荷分布及供電半徑要求,在地下一層設(shè)置9座變電所,應(yīng)急電源采用高壓柴油發(fā)電機(jī)方案,在地下空間一層集中設(shè)置一座10 kV高壓柴油發(fā)電機(jī)房。高壓柴油發(fā)電機(jī)房至各變電所采用3×95高壓電纜,線路單相接地電容電流總和為3.5 A,其中電容電流最大的一個(gè)回路為0.584 A?？紤]到變配電設(shè)備的附加影響,總的單相接地電容電流為4.1 A。

中性點(diǎn)接地電阻為

中性點(diǎn)電阻電流為

單相接地故障電流為

按照零序電流保護(hù)必須要能躲過電路正常運(yùn)行時(shí)的電容電流要求,校驗(yàn)零序保護(hù)的靈敏度[5],動(dòng)作電流Iact和靈敏度Ksen的計(jì)算方法如下:

(9)

由于單條回路電容電流很小,可靠系數(shù)可選取5,取電容電流最大的一個(gè)回路,Iact=2.92 A,Ksen≥2,以上參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

作為一種應(yīng)急備用電源,高壓柴油發(fā)電機(jī)正在越來越多地應(yīng)用于建筑工程中。本文以工程實(shí)例詳細(xì)介紹了正確的接地電阻計(jì)算方法,該方法能保證高壓柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行的高可靠性。