發電廠并列運行的黑啟動柴油發電機組中性點接地方案分析與定值計算

孫若笛

（江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

火力發電廠黑啟動，是指電廠因故障停運后，在不依靠外部電網供電的情況下，通過具有自啟動能力的柴油發電機組，帶動輔機系統運行，使汽輪發電機達到額定轉速，最終實現并網運行。本文以菲律賓某新建電廠為例，探討并列運行的黑啟動柴油發電機組中性點接地方案，并給出廠用電和柴油發電機組接地保護整定計算結果。

1 國外某電廠概述

本文依據菲律賓某新建火力發電廠項目進行分析，該工程新建一臺25 MW汽輪發電機和一臺110 t/h鍋爐。通過主變接入69 kV母線，69 kV采用單母線接線，設兩回出線。設發電機出口斷路器，高廠變及兩段互相聯絡的11 kV母線為廠用高壓負荷供電。啟動電源由11 kV黑啟動柴油發電機提供。

2 發電機和廠用電系統接地方式要求

根據EPC合同要求，經過短路電流等參數計算，本工程接地方案如下：主變高壓側中性點直接接地，發電機中性點經接地變接地，R=1.963 4 Ω；11 kV廠用電和柴油發電機中性點低阻接地，R=21.2 Ω。

3 電廠電氣主接線設計方案

考慮電廠運行方式，采用兩臺1 600 kW柴油發電機作為黑啟動電源。電氣主接線如圖1所示。

4 黑啟動柴油發電機中性點接地方案分析

EPC合同要求黑啟動柴油發電機中性點經低電阻接地。根據IEEE標準，該方案可行，分析如下：

IEEE Std 665—1995（R2001）《發電廠接地導則》5.3.1.3條規定，低電阻接地方式適用于發電機不經過升壓變壓器直接與系統相連的情況。

IEEE std C62.92.2—1989（R2005）《電氣系統中性點接地應用導則Ⅱ：同步發電機系統接地》3.2.1條規定，發電機低阻接地是通過在發電機中性點和地之間接入低電阻或接地變壓器實現的。相對高電阻接地而言，有更小的暫態過電壓。

因此，本工程柴油發電機中性點采用低阻接地方式，理由為：

（1）當#1或#2柴油發電機發生定子單相接地故障時，通過機端CT自產零序檢測接地電容電流，跳開-QF5或-QF6以保護發電機。

圖1 電氣主接線

（2）黑啟動過程中，-QF11、-QF12斷開，-QF3～-QF6閉合，11 kV廠用A/B段由柴油發電機實現低電阻接地，當發生單相接地故障時，保護迅速動作切除故障。

本工程柴油機組存在單獨和并列運行兩種工況。圖2（a）～（d）給出了四種柴油機中性點接地方案，下面將對這四種方案進行分析，并給出推薦方案。

方案一：#1和#2柴油發電機（下文簡稱BSDG1和BSDG2）中性點短接后，通過隔離開關-QS1經接地電阻柜（NGR）接地。該方案優點為接線簡單易行，經濟性最高。可通過控制-QF5和-QF6實現柴油機組單獨或并列運行；當成功并網且BSDG退出后，斷開-QS1將NGR切除，由高廠變低壓側NGR實現高壓廠用電系統低電阻接地。缺點為：（1）兩臺BSDG由于中性點直接相連，單元性和獨立性較差，當其中一臺柴油機運行時，無法對另一臺進行檢修或維護。（2）當某臺柴油機發生故障時，無法在保證另一臺柴油機正常運行的情況下，將故障發電機進行維修或更換。（3）-QS1需要手動操作，運行人員要到集裝箱中進行切換。（4）兩臺柴油機中性點直接相連，當機組特性和外部回路不完全一致時，中性線中會由于電壓差導致環流。

圖2 柴油發電機中性點接地方案

方案二：BSDG1和BSDG2中性點分別設置隔離開關-QS1和-QS2，再經NGR接地。在方案一基礎上增加一組隔離開關，大大提高了兩臺柴油機運行的獨立性。當只需要運行BSDG1時，可通過斷開-QF6和-QS1，將BSDG2退出系統以實現檢修或維護，反之也一樣。另外，當其中一臺柴油機發生單相接地故障時，可將故障柴油機切除，進行維修或更換。當BSDG1和BSDG2同時運行時，可僅合閘-QS1，保持-QS2分閘，避免由于電壓差而引起的環流。缺點為-QS1、-QS2需手動操作。

方案三：BSDG1和BSDG2中性點分別設置斷路器-QF01和-QF02，再經過NGR接地。該方案解決了上述兩種方案的弊端，實現了-QF5、-QF6和-QF01、-QF02的遠方操作和自動切換。兩臺柴油發電機可通過柴油機控制系統實現獨立和并列運行。

方案四：BSDG1和BSDG2中性點分別設置真空接觸器-QC1和-QC2，再經NGR接地。該方案原理上與方案三一致。采用接觸器代替斷路器，造價更低，經濟性更好。故選擇方案四作為最終設計方案。

本工程采用美國MARATHON ELECTRIC公司的兩臺MXH-1600-4型柴油發電機作為黑啟動電源，發電機控制系統采用IC-NT-SPTM型智能控制器；-QC1、-QC2的控制由控制器實現。控制邏輯如下：

（1）當無系統并網成功信號時，若接收到BSDG1運行信號，則合閘-QC1，保持-QC2分閘；若接收到BSDG2運行信號，則合閘-QC2，保持-QC1分閘；若接收到BSDG1和BSDG2并列運行信號，則僅合閘-QC1，保持-QC2分閘。

（2）當接收到系統并網成功信號時，斷開-QC1和-QC2，NGR與機組分離，由高廠變低壓側接地電阻柜承擔系統接地。柴油機組退出運行。

（3）當僅一臺采油機運行時，以BSDG1為例，若發生定子單相接地故障，保護動作分閘-QF5和-QC1，同時合閘-QF6和-QC2，啟動BSDG2，繼續為系統提供電源。可對BSDG1進行維修和更換。

5 接地保護整定計算結果

柴油機參數：fN=60 Hz，cos φ=0.8，UN=11 kV，IN=104.98 kA，PN=1 600 kW，Xd″=0.016 5，CT變比150/1。高廠變低壓側11 kV A/B段CT變比400/1，低壓側中性點CT變比400/1。

5.1 高廠變分支零序電流保護Ⅰ段定值計算

系統單相接地零序電流：

5.1.1 低廠變回路

按最低靈敏度不小于4整定，則：

式中，ILN為低廠變高壓側額定電流。

保護動作時限：tOT=0.6 s。

5.1.2 電動機回路

動作電流按死區α≤15%計算，則：

式中，IM為電動機額定電流。

保護動作時限：tOM=0.1～0.6 s。

5.1.3 分支零序Ⅰ段動作電流

取末級最大零序動作電流為45 A，則：

保護動作時限：t1=1.2 s。

5.2 高廠變分支零序電流保護Ⅱ段定值計算

保護動作時限：t2=1.5 s。

5.3 柴油發電機定子接地保護定值計算

保護動作時限：t=1.5 s。

6 結語

綜上所述，當發電廠黑啟動電源為兩臺柴油發電機時，需要綜合考慮柴油機獨立和并列運行工況，合理選擇中性點接地方式。采用低電阻接地方式時，本文推薦雙真空接觸器加接地電阻柜方案，以實現對柴油機組的靈活控制，提高運維和檢修的便利性。該方案已在菲律賓某電廠實施，目前，該電廠已投入商業運行，運行狀態良好。