水泥廠余熱電站發電機中性點接地方式的研究

李大慶

1 前言

水泥廠余熱電站發電機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電機出口的單相接地造成的，是發電機最常見的一種故障。發電機定子繞組發生單相接地故障時，接地點流過的電流是發電機本身及其引出回路所連接元件對地電容電流。當該電流超過允許值時，將燒傷定子鐵芯，進而損壞定子絕緣，引起匝間或相間短路，此時需要在發電機中性點采取經消弧線圈或高電阻接地的措施，以保護發電機免遭損壞。

由于水泥廠余熱電站與水泥生產線配電網并網運行，電站發電機接地方式要與水泥廠配電網保持匹配，余熱電站繼電保護要與水泥生產線配電網繼電保護配合運行。

國內水泥生產線余熱電站發電機裝機功率大都≤125MW，依據規范及水泥生產線配電網中性點接地方式的要求，應采用發電機中性點不接地（即經避雷器接地）或經消弧線圈接地方式。定子單相接地故障不會產生大的故障電流，定子繞組單相接地保護通常只發信號而不跳機，在定子單相接地保護動作發信號后，運行人員應減小機組負荷，盡快實現停機檢修。

2 國內外對發電機定子單相接地電流允許值的研究

早在1933年，蘇聯電站部技術司曾規定發電機單相接地電流允許值為5A。當發電機單相接地電流＜5A時，允許單相接地發電機繼續運行2h，以便值班人員采取適當措施；當發電機單相接地電流＞5A時，單相接地故障的發電機的繼電保護裝置將跳閘。

上世紀70年代初，捷克動力研究院通過試驗證明，單相接地電流持續2A是安全的，此外，考慮一定余度，規定單相接地電流允許值為1.0～1.5A。

瑞士BBC曾認為接地電流20～40A，持續2s，鐵芯僅是輕微損傷，發電機發生定子接地故障后要進行檢修，上述輕微損傷是可以接受的。

上世紀80年代初，我國河南電力科學試驗研究所進行定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗，確定了發電機單相接地故障電容電流最高允許值。

3 水泥廠余熱電站發電機中性點接地方式

余熱電站發電機中性點接地方式分為不接地（即經避雷器接地）和經消弧線圈接地兩種。

3.1 中性點經避雷器接地

發電機額定電壓為6.3kV及以上的系統，當發電機內部發生單相接地故障、不要求瞬時切機時，采用中性點不接地方式的發電機單相接地故障電容電流最高允許值應按表1確定。中性點經避雷器接地方式特點如下：

（1）適用于容量≤125MW的中小機組，且單相接地電流應不超過允許值。

（2）發電機中性點裝設電壓為額定相電壓的避雷器，避雷器正常運行時對地絕緣，相當于不接地；中性點電壓超過允許值，避雷器間隙導通，避免過電壓，防止發電機絕緣擊穿。

（3）國內余熱發電項目發電機中性點接地方式多數為經避雷器接地。繼電保護設置，根據不同繼電保護廠家設備，設置定子接地保護定值。

表1 發電機單相接地故障電容電流最高允許值

3.2 中性點經消弧線圈（諧振）接地

當單相接地電容電流值大于表1允許值時，應采用中性點諧振接地方式，消弧裝置可裝在廠用變壓器中性點上或發電機中性點上。

（1）中性點經消弧線圈接地方式作用是：利用其產生一個電感電流，電感電流與接地點的電容電流的方向相反，可將電容電流抵消，以消除產生電弧的條件，將接地故障電流保持在較低的水平。

（2）對具有直配線的發電機，宜采用過補償的方式；對單元接線的發電機，宜采用欠補償方式；經補償后的單相接地電流一般＜1A，因此，可不跳閘停機，僅作用于信號。

（3）消弧線圈可接在直配線發電機的中性點上，也可接在廠用變壓器的中性點上，當發電機為單元連接時，則應接在發電機中性點上。

（4）若國內水泥生產線原有配電系統中性點接地方式為經消弧線圈接地的方式，增加余熱電站發電機后單相接地電容電流值超過國家標準的允許值，則選擇余熱電站發電機中性點經消弧線圈接地方式。消弧線圈容量的選擇需要依據整個電網的系統參數而確定。

（5）我國和蘇聯大容量的水輪和汽輪發電機以及歐洲的部分發電機和美國新英格蘭電力系統中的所有發電機，中性點全部經消弧線圈接地運行，長期以來效果良好。消弧線圈（諧振）接地方式已成為與高電阻接地方式相匹敵的另一大分支。美國AIEE旋轉電機專業委員會曾經在“同步發電機系統接地方式應用指南”中明確指出，發電機中性點諧振接地方式具有限制暫態過電壓等優點。

盡管消弧線圈的接地方式在國內大電容電流發電機上得到了一定的應用，但仍存在以下不利因素：參數選擇須考慮因素較多；潛在的過電壓危險；保護配置比較復雜，需要增設高壓側零序制動電壓，以防止保護誤動作。

4 發電機中性點經消弧線圈接地方式計算

發生單相接地故障時，接地點流過的電流是發電機本身及其引出回路所連接元件對地電容電流。電容電流的計算應考慮電網5～10年的發展。發電機發生單相接地故障示意圖見圖1。

4.1 配電網電容電流

配電網的電容電流應包括電氣連接的所有架空線路、電纜線路的電容電流，并計及余熱電站母線和電器的影響。該電容電流應取最大運行方式下的電流。

圖1 發電機發生單相接地故障示意圖

（1）架空線路的電容電流

式中：

L——線路的長度，km

Ic——架空線路的電容電流，A

2.7——系數，適用于無架空地線的線路

3.3——系數，適用于有架空地線的線路

同桿雙回路電容電流為單回路的1.3～1.6倍。

（2）電纜線路的電容電流

（3）當發電廠引出線接至變電站，由變電站增加的單相接地電容電流值可按表2估算。

表2 變電站增加的電容電流

4.2 發電機定子線圈單相接地電容電流

發電機電壓回路的電容電流應包括發電機、變壓器和連接導體的電容電流，當回路裝有直配線和電容器時，應考慮這部分電容電流。

汽輪發電機定子線圈單相接地電容電流數值，應由制造部門提供。當資料缺乏時，可參考式（3）、式（4）計算獲得。

式中：

Cof——發電機定子線圈的電容，F

K——與絕緣材料有關的系數。當發電機溫度為15～20℃時，K=0.018 7

Sef——發電機視在功率，MVA

ω——角速度，ω =2πf。f為頻率，Hz

式中：

Ic——發電機定子線圈的電容電流，A

Uef——發電機額定線電壓，kV

4.3 消弧線圈補償容量

式中：

Q——補償容量，kVA

K——系數，過補償取1.35，欠補償按脫諧度確定

Ic——電網或發電機回路的電容電流，A

UN——電網或發電機回路的額定線電壓，kV

為了便于運行調諧，宜選用容量接近于計算值的消弧線圈。

4.4 中性點位移及脫諧度

裝在電網變壓器中性點的消弧線圈以及具有直配線的發電機中性點消弧線圈應采用過補償方式。在正常情況下，長時間中性點位移電壓不應超過額定相電壓的10%，防止運行方式改變時電容電流減小，使消弧線圈處于諧振點運行。正常情況下脫諧度一般≯10%。

中性點經消弧線圈接地的單元連接發電機，在正常情況下，長時間中性點位移電壓不應超過額定相電壓的10%。考慮到限制電容耦合傳遞過電壓以及頻率變動等對發電機中性點位移電壓的影響，一般采用欠補償方式，脫諧度一般≯±30%。消弧線圈分接頭應滿足脫諧度的要求。

中性點位移電壓可按式（6）計算：

式中：

U0——中性點位移電壓，kV

Ubd——消弧線圈投入前發電機回路中性點不對稱電壓，可取0.8%的相電壓

d——阻尼率，一般對于60～110kV架空線路取3%，35kV及以下架空線路取5%，電纜線路取2%～4%

脫諧度可按式（7）計算：

式中：

ν——脫諧度

Ic——發電機回路的電容電流，A

IL——消弧線圈電感電流，A

5 示例

5.1 電容電流的計算

某余熱電站發電機容量為12MW，功率因數0.8，發電機出線電壓10.5kV,電纜總長度為2km（實際應用中考慮發電機10kV電纜出線，及所連接至水泥廠10kV母線上的所有出線電纜），并連接至水泥廠總降壓變電站，為此選擇發電機中性點接地方式，電容電流計算如下：

依據式（2），電纜提供的電容電流：

依據式（3）、（4），發電機電容電流：

余熱電站的總電容電流為：

可以使用中性點經避雷器接地方式。

5.2 消弧線圈補償容量的選擇

若電容電流＞3A，假設電容電流為5A，選擇中性點消弧線圈接地方式。

5.2.1 消弧線圈補償容量首先滿足中性點電壓位移的要求

根據式（6），可知：

脫諧度的取值范圍在本文4.4要求的范圍內，從而有：

IL＜4.63A或者IL≥5.37A

5.2.2 脫諧度的要求

5.2.3 采用過補償方式，依據式（5）有：

消弧線圈容量取值：Q=45kVA。

6 結語

國內水泥工廠余熱電站發電機一般直接與6～10kV電網連接，發電機單相接地為中性點不接地（即經避雷器接地）和經消弧線圈接地兩種中性點接地方式。

單相接地電流不超過表2數值時，采用中性點避雷器接地方式。單相故障電流超過表2數值時，發電機中性點應通過消弧線圈接地，消弧裝置可裝在廠用變壓器中性點上或發電機中性點上。

配電網的電容電流、發電機電壓回路的電容電流和消弧線圈容量需經計算確定。水泥廠配電網多為電纜配電線路，按照電纜線路電容電流計算；發電機電容電流由供貨商提供；余熱電站發電機多屬于直配線的發電機，中性點消弧線圈應采用過補償方式。計算方法參考上節“5示例”中算法。