全連型離相封閉母線單點接地方式研究

陳 平 鄒 杰 魏華棟 馮寶玥

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南250013）

0 引言

發電機出口大電流母線的周圍存在著強大的交變磁場，故位于其中的鋼鐵等磁性材料會由于渦流損耗而發熱。為解決上述問題，文獻［1］要求，容量在100MW及以上的發電機引出線采用全連型離相封閉母線，母線外殼的屏蔽作用能改善鋼構發熱情況。全連型離相封閉母線以母線導體為一次側，母線外殼為二次側，類似一臺1∶1的空氣芯變壓器，當導體通電時，外殼中會流過很大的環流，這個巨大的環流通過它本身產生與導體內部相反的磁場，因而具有去磁作用，實現了屏蔽功能，減輕了周圍鋼構的發熱現象。

但全連型離相封閉母線不同的外殼接地方式會影響環流分布，從而影響感應電壓大小，進而導致一定的安全問題。為解決這個問題，國內火電工程一般采用多點接地方式。近年來，涉外工程不斷增加，外方一般要求全連型離相封閉母線采用單點接地方式。關于此接地方式的研究較少，故本文對全連型離相封閉母線單點接地方式從環流損耗與感應電壓兩方面進行較為全面的計算分析，是非常有意義的。

1 計算公式模型

1.1 外殼阻抗計算公式

對全連型離相封閉母線，外殼損耗由環流損耗和渦流損耗組成。對不設限流電抗器的全連型外殼，渦流損耗很小，可忽略不計，只計算外殼的環流損耗［2－3］。

一般來說，單位長度外殼的阻抗值可表示為：

其中，R為外殼運行平均溫度tK時單位長度的直流電阻（Ω／m），計算公式見式（2）；X 為外殼單位長度的電抗（Ω／m）。對全連型離相封閉母線而言，電抗值X由外殼自感Ls（H／m）、外殼與導體互感Lm（H／m）以及外殼間互感Lg（H／m）組成。為簡化計算，忽略外殼間互感（因為外殼間互感由于相間導體與外殼的抵消作用可忽略不計），可得X計算公式（3）。文獻［4］提供了Ls、Lm的具體計算公式，見式（4）、（5）。

式中，ρ20為溫度在20℃時導體材料的電阻率（Ω·mm2／m），鋁導體ρ20＝0.029 5Ω·mm2／m；α為導體的電阻溫度系數（1／℃），對鋁材料而言，α＝0.004；tK為母線外殼計算運行平均溫度（℃）；FK為外殼橫截面積（m2）。

式中，ω為頻率（r／s）。

式中，h為外殼對地高度（m）；Rf為外殼半徑（m）；Rd為三相導線幾何均距（m）。

1.2 環流損耗計算公式

環流損耗包括有功損耗與無功損耗兩部分，實際運行中，主要關注有功損耗經濟性，故本文只對有功損耗進行計算，見式（6）：

式中，W 為每相母線外殼中單位長度環流有功損耗（W）；I為母線外殼中環流大小（A），當母線總長L≤20m時，I＝0.95Im，L≥20m時，I＝Im（Im為母線導體電流）；Kf為外殼集膚效應系數。

Kf可用式（7）計算：

1.3 感應電壓計算公式

外殼總壓降由電阻性壓降與電抗性壓降兩部分組成，見式（8）：

式中，Ue為單位長度母線外殼感應電壓（kV）。

2 工程計算實例

下面以某300MW容量機組為例，頻率50Hz，發電機出口電壓20kV，出口電流Im＝10 189A，選用全連型離相封閉母線單點接地方式，鋁外殼半徑Rf＝1.05m，外殼厚度δK＝0.008m，三相導線間距Rd＝1.4m，為簡化計算，忽略廠用電負荷，假設發電機滿負荷發電且出口電流與主變低壓側間電流相等，封閉母線長40m，tK＝62.1℃，h＝1m。

單點接地全連封母只在一側短路板處設置接地點，接地線電阻忽略不計，可得外殼簡化模型如圖1所示。

圖1 單點接地阻抗模型圖

每相單位長度的功率損耗由式（6）計算：

W＝10 1892×1.315 6×10－6×1.008 4＝137.727W／m

可得單相封母環流功率損耗為5.51kW，則三相封母總環流損耗可近似計算得16.53kW。

由式（8）可計算出正常工作情況下單位長度外殼感應電壓｜Ue｜＝0.013 4V，總長度內外殼感應電壓為0.537V。

此電壓滿足人身安全要求。但如果外殼長度增加，則外殼感應電壓會增大，有可能超過人身安全要求，需要謹慎選擇這種接地方式。當發生故障，比如三相短路時，短路電流一般是正常電流的10～30倍，則此時外殼感應電壓會升高，有可能會超過DL／T5222—2005《導體和電器選擇設計技術規程》第7.4.5條“當母線通過短路電流時，外殼的感應電壓應不超過24V”的要求。

綜上所述，該工程母線外殼有一定功率損耗，從安全性角度而言，感應電壓計算值低于安全值，可采用單點接地方式。

3 結語

本文針對涉外工程中要求的全連型離相封閉母線外殼單點接地方式中存在的環流損耗及感應電壓問題，給出了詳細的數學建模及計算過程。通過工程實例計算可以看出，從經濟性角度而言，外殼環流引起部分功率損耗，此損耗在計算廠用電率時應考慮在內；從安全性角度而言，需要計算感應電壓，如果計算值低于安全值，則可采用單點接地方式，反之，可建議業主采用多點接地方式。

［1］GB50660—2011 大中型火力發電廠設計規范［S］

［2］單淵達.電能系統基礎［M］.北京：機械工業出版社，2001

［3］馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論［M］.北京：高等教育出版社，2000

［4］張亞婷，高博，賈磊，等.800kV分體結構GIS母線外殼環流特性的研究［J］.電瓷避雷器，2008（6）