水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的研究

李大慶

1 前言

水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)出口的單相接地造成的，是發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的一種故障。發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)流過(guò)的電流是發(fā)電機(jī)本身及其引出回路所連接元件對(duì)地電容電流。當(dāng)該電流超過(guò)允許值時(shí)，將燒傷定子鐵芯，進(jìn)而損壞定子絕緣，引起匝間或相間短路，此時(shí)需要在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采取經(jīng)消弧線圈或高電阻接地的措施，以保護(hù)發(fā)電機(jī)免遭損壞。

由于水泥廠余熱電站與水泥生產(chǎn)線配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，電站發(fā)電機(jī)接地方式要與水泥廠配電網(wǎng)保持匹配，余熱電站繼電保護(hù)要與水泥生產(chǎn)線配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)線余熱電站發(fā)電機(jī)裝機(jī)功率大都≤125MW，依據(jù)規(guī)范及水泥生產(chǎn)線配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的要求，應(yīng)采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地（即經(jīng)避雷器接地）或經(jīng)消弧線圈接地方式。定子單相接地故障不會(huì)產(chǎn)生大的故障電流，定子繞組單相接地保護(hù)通常只發(fā)信號(hào)而不跳機(jī)，在定子單相接地保護(hù)動(dòng)作發(fā)信號(hào)后，運(yùn)行人員應(yīng)減小機(jī)組負(fù)荷，盡快實(shí)現(xiàn)停機(jī)檢修。

2 國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)電機(jī)定子單相接地電流允許值的研究

早在1933年，蘇聯(lián)電站部技術(shù)司曾規(guī)定發(fā)電機(jī)單相接地電流允許值為5A。當(dāng)發(fā)電機(jī)單相接地電流＜5A時(shí)，允許單相接地發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行2h，以便值班人員采取適當(dāng)措施；當(dāng)發(fā)電機(jī)單相接地電流＞5A時(shí)，單相接地故障的發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)裝置將跳閘。

上世紀(jì)70年代初，捷克動(dòng)力研究院通過(guò)試驗(yàn)證明，單相接地電流持續(xù)2A是安全的，此外，考慮一定余度，規(guī)定單相接地電流允許值為1.0～1.5A。

瑞士BBC曾認(rèn)為接地電流20～40A，持續(xù)2s，鐵芯僅是輕微損傷，發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障后要進(jìn)行檢修，上述輕微損傷是可以接受的。

上世紀(jì)80年代初，我國(guó)河南電力科學(xué)試驗(yàn)研究所進(jìn)行定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗(yàn)，確定了發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流最高允許值。

3 水泥廠余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式

余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式分為不接地（即經(jīng)避雷器接地）和經(jīng)消弧線圈接地兩種。

3.1 中性點(diǎn)經(jīng)避雷器接地

發(fā)電機(jī)額定電壓為6.3kV及以上的系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障、不要求瞬時(shí)切機(jī)時(shí)，采用中性點(diǎn)不接地方式的發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流最高允許值應(yīng)按表1確定。中性點(diǎn)經(jīng)避雷器接地方式特點(diǎn)如下：

（1）適用于容量≤125MW的中小機(jī)組，且單相接地電流應(yīng)不超過(guò)允許值。

（2）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)裝設(shè)電壓為額定相電壓的避雷器，避雷器正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地絕緣，相當(dāng)于不接地；中性點(diǎn)電壓超過(guò)允許值，避雷器間隙導(dǎo)通，避免過(guò)電壓，防止發(fā)電機(jī)絕緣擊穿。

（3）國(guó)內(nèi)余熱發(fā)電項(xiàng)目發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式多數(shù)為經(jīng)避雷器接地。繼電保護(hù)設(shè)置，根據(jù)不同繼電保護(hù)廠家設(shè)備，設(shè)置定子接地保護(hù)定值。

表1 發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流最高允許值

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈（諧振）接地

當(dāng)單相接地電容電流值大于表1允許值時(shí)，應(yīng)采用中性點(diǎn)諧振接地方式，消弧裝置可裝在廠用變壓器中性點(diǎn)上或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)上。

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

（2）對(duì)具有直配線的發(fā)電機(jī)，宜采用過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞剑粚?duì)單元接線的發(fā)電機(jī)，宜采用欠補(bǔ)償方式；經(jīng)補(bǔ)償后的單相接地電流一般＜1A，因此，可不跳閘停機(jī)，僅作用于信號(hào)。

（3）消弧線圈可接在直配線發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)上，也可接在廠用變壓器的中性點(diǎn)上，當(dāng)發(fā)電機(jī)為單元連接時(shí)，則應(yīng)接在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)上。

（4）若國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)線原有配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為經(jīng)消弧線圈接地的方式，增加余熱電站發(fā)電機(jī)后單相接地電容電流值超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許值，則選擇余熱電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。消弧線圈容量的選擇需要依據(jù)整個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)而確定。

（5）我國(guó)和蘇聯(lián)大容量的水輪和汽輪發(fā)電機(jī)以及歐洲的部分發(fā)電機(jī)和美國(guó)新英格蘭電力系統(tǒng)中的所有發(fā)電機(jī)，中性點(diǎn)全部經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行，長(zhǎng)期以來(lái)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(guó)AIEE旋轉(zhuǎn)電機(jī)專業(yè)委員會(huì)曾經(jīng)在“同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地方式應(yīng)用指南”中明確指出，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)諧振接地方式具有限制暫態(tài)過(guò)電壓等優(yōu)點(diǎn)。

盡管消弧線圈的接地方式在國(guó)內(nèi)大電容電流發(fā)電機(jī)上得到了一定的應(yīng)用，但仍存在以下不利因素：參數(shù)選擇須考慮因素較多；潛在的過(guò)電壓危險(xiǎn)；保護(hù)配置比較復(fù)雜，需要增設(shè)高壓側(cè)零序制動(dòng)電壓，以防止保護(hù)誤動(dòng)作。

4 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式計(jì)算

發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)流過(guò)的電流是發(fā)電機(jī)本身及其引出回路所連接元件對(duì)地電容電流。電容電流的計(jì)算應(yīng)考慮電網(wǎng)5～10年的發(fā)展。發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障示意圖見(jiàn)圖1。

4.1 配電網(wǎng)電容電流

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

圖1 發(fā)電機(jī)發(fā)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(zhǎng)度，km

Ic——架空線路的電容電流，A

2.7——系數(shù)，適用于無(wú)架空地線的線路

3.3——系數(shù)，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(dāng)發(fā)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(fā)電機(jī)定子線圈單相接地電容電流

發(fā)電機(jī)電壓回路的電容電流應(yīng)包括發(fā)電機(jī)、變壓器和連接導(dǎo)體的電容電流，當(dāng)回路裝有直配線和電容器時(shí)，應(yīng)考慮這部分電容電流。

汽輪發(fā)電機(jī)定子線圈單相接地電容電流數(shù)值，應(yīng)由制造部門提供。當(dāng)資料缺乏時(shí)，可參考式（3）、式（4）計(jì)算獲得。

式中：

Cof——發(fā)電機(jī)定子線圈的電容，F(xiàn)

K——與絕緣材料有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)溫度為15～20℃時(shí)，K=0.018 7

Sef——發(fā)電機(jī)視在功率，MVA

ω——角速度，ω =2πf。f為頻率，Hz

式中：

Ic——發(fā)電機(jī)定子線圈的電容電流，A

Uef——發(fā)電機(jī)額定線電壓，kV

4.3 消弧線圈補(bǔ)償容量

式中：

Q——補(bǔ)償容量，kVA

K——系數(shù)，過(guò)補(bǔ)償取1.35，欠補(bǔ)償按脫諧度確定

Ic——電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)回路的電容電流，A

UN——電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)回路的額定線電壓，kV

為了便于運(yùn)行調(diào)諧，宜選用容量接近于計(jì)算值的消弧線圈。

4.4 中性點(diǎn)位移及脫諧度

裝在電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)的消弧線圈以及具有直配線的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈應(yīng)采用過(guò)補(bǔ)償方式。在正常情況下，長(zhǎng)時(shí)間中性點(diǎn)位移電壓不應(yīng)超過(guò)額定相電壓的10%，防止運(yùn)行方式改變時(shí)電容電流減小，使消弧線圈處于諧振點(diǎn)運(yùn)行。正常情況下脫諧度一般≯10%。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的單元連接發(fā)電機(jī)，在正常情況下，長(zhǎng)時(shí)間中性點(diǎn)位移電壓不應(yīng)超過(guò)額定相電壓的10%。考慮到限制電容耦合傳遞過(guò)電壓以及頻率變動(dòng)等對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)位移電壓的影響，一般采用欠補(bǔ)償方式，脫諧度一般≯±30%。消弧線圈分接頭應(yīng)滿足脫諧度的要求。

中性點(diǎn)位移電壓可按式（6）計(jì)算：

式中：

U0——中性點(diǎn)位移電壓，kV

Ubd——消弧線圈投入前發(fā)電機(jī)回路中性點(diǎn)不對(duì)稱電壓，可取0.8%的相電壓

d——阻尼率，一般對(duì)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(jì)算：

式中：

ν——脫諧度

Ic——發(fā)電機(jī)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(jì)算

某余熱電站發(fā)電機(jī)容量為12MW，功率因數(shù)0.8，發(fā)電機(jī)出線電壓10.5kV,電纜總長(zhǎng)度為2km（實(shí)際應(yīng)用中考慮發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式，電容電流計(jì)算如下：

依據(jù)式（2），電纜提供的電容電流：

依據(jù)式（3）、（4），發(fā)電機(jī)電容電流：

余熱電站的總電容電流為：

可以使用中性點(diǎn)經(jīng)避雷器接地方式。

5.2 消弧線圈補(bǔ)償容量的選擇

若電容電流＞3A，假設(shè)電容電流為5A，選擇中性點(diǎn)消弧線圈接地方式。

5.2.1 消弧線圈補(bǔ)償容量首先滿足中性點(diǎn)電壓位移的要求

根據(jù)式（6），可知：

脫諧度的取值范圍在本文4.4要求的范圍內(nèi)，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(guò)補(bǔ)償方式，依據(jù)式（5）有：

消弧線圈容量取值：Q=45kVA。

6 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)水泥工廠余熱電站發(fā)電機(jī)一般直接與6～10kV電網(wǎng)連接，發(fā)電機(jī)單相接地為中性點(diǎn)不接地（即經(jīng)避雷器接地）和經(jīng)消弧線圈接地兩種中性點(diǎn)接地方式。

單相接地電流不超過(guò)表2數(shù)值時(shí)，采用中性點(diǎn)避雷器接地方式。單相故障電流超過(guò)表2數(shù)值時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)應(yīng)通過(guò)消弧線圈接地，消弧裝置可裝在廠用變壓器中性點(diǎn)上或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)上。

配電網(wǎng)的電容電流、發(fā)電機(jī)電壓回路的電容電流和消弧線圈容量需經(jīng)計(jì)算確定。水泥廠配電網(wǎng)多為電纜配電線路，按照電纜線路電容電流計(jì)算；發(fā)電機(jī)電容電流由供貨商提供；余熱電站發(fā)電機(jī)多屬于直配線的發(fā)電機(jī)，中性點(diǎn)消弧線圈應(yīng)采用過(guò)補(bǔ)償方式。計(jì)算方法參考上節(jié)“5示例”中算法。