并列運行的柴油發(fā)電機中性點接地研究

摘要：在國外大中型發(fā)電廠中，經常采用柴油發(fā)電機作為黑啟動電源。根據(jù)啟動負荷的大小，需要多臺柴油發(fā)電機并列運行。本文通過對并列運行的柴油發(fā)電機中性點接地方式的分析與研究，給出推薦的柴油發(fā)電機組中性點接地方案。

關鍵詞：;中性點接地方式;并列運行;柴油發(fā)電機;黑啟動

1 引言

電力系統(tǒng)中性點接地方式是決定系統(tǒng)運行方式，防止系統(tǒng)事故的重要因素，也是電氣系統(tǒng)實現(xiàn)安全、經濟運行的基礎。當電廠采用柴油發(fā)電機組作為黑啟動電源時，根據(jù)啟動負荷的大小，需要多臺柴油發(fā)電機并列運行。多臺并列運行的柴油發(fā)電機組中性點接地方式選擇，是黑啟動電源設計中的難點，也是柴油發(fā)電機安全運行的關鍵。本文以沙特某新建聯(lián)合循環(huán)電站為例，對并列運行的黑啟動柴油發(fā)電機組中性點接地方式進行分析，并給出推薦的柴油發(fā)電機組中性點接地方案。

2 工程概況

本項目為沙特阿拉伯某新建聯(lián)合循環(huán)電站工程，設計采用國際標準。該項目新建5個Block單元，每個Block單元為811MW，每個單元配置2臺燃機發(fā)電機、2臺余熱鍋爐、1臺汽輪發(fā)電機。每臺發(fā)電機分布通過升壓變壓器升壓后接入380kV電網。本項目設置了8臺柴油發(fā)電機，并列運行，作為電站及附近工廠黑啟動電源及保安電源。

3 柴油發(fā)電機中性點接地方式分析

3.1柴油發(fā)電機中性點接地方式選擇

中性點接地方式的選擇，與系統(tǒng)的電壓等級、單相接地短路電流、過電壓保護與絕緣配合、繼電保護配置、設備選型等有關。

3.1.1 柴油發(fā)電機中性點接地型式

根據(jù)IEEE Std 665-1995《發(fā)電廠接地導則》5.3.1條規(guī)定，常用的發(fā)電機中性點接地型式及其分析如下：

（1） 高電阻接地（經配電變壓器接地），

即柴油發(fā)電機中性點經單相變壓器接地，電阻接在此變壓器二次側。主要用于柴油發(fā)電機-變壓器單元接線時，柴油發(fā)電機中性點的接地。此方式下接地短路電流被限制在5～10A。

（2） 高電阻接地（經中性點電阻接地）

即柴油發(fā)電機中性點直接經高電阻接地。其作用與接地方式1等同。

（3） 低電阻接地（經中性點電阻接地）

即柴油發(fā)電機中性點直接經低電阻接地，適用于柴油發(fā)電機不經升壓變壓器直接與系統(tǒng)相連，可以承受數(shù)百安的接地短路電流，保證了接地保護可靠動作

（4） 低電抗接地（經中性點電抗接地）

即柴油發(fā)電機中性點經電抗接地，和中性點經低電阻接地類似，此接地方式可承受較大的單相接地短路電流。

（5） 諧振接地（經接地故障全中和器接地）

即柴油發(fā)電機中性點經接地故障全中和器接地，同過單相變壓器二次側的電抗器來限制并消除接地短路電流，甚至將接地固定電流消除為零。主要用于柴油發(fā)電機-變壓器單元接線時，柴油發(fā)電機中性點的接地。

（6） 高電阻接地（經接地變壓器接地）

此接地方式應用于無中性點引出的角形繞組的柴油發(fā)電機，通過接地變二次側電阻限制接地短路電流。

（7） 中電阻接地（經接地變壓器接地）

此接地方式與方式6類似。

（8） 不接地

即柴油發(fā)電機中性點不接地，僅允許比其他接地方式更小的接地短路電流，且在開關操作或電弧接地故障時，易產生過大的瞬態(tài)過電壓，因此，較少采用。

本項目柴油發(fā)電機繞組為Y型接線，且所有柴油發(fā)電機經黑啟動母線直接與廠用中壓母線相連，非柴油發(fā)電機-變壓器單元接線。因此，柴油發(fā)電機中性點接地方式可初步考慮選用以下接地方式：

- 阻接地（經中性點電阻接地;

- 阻接地（經中性點電阻接地）;

- 抗接地（經中性點電抗接地）;

3.1.2柴油發(fā)電機單相接地短路電流計算

經短路電流計算，本項目單臺柴油發(fā)電機單相短路電流為125A，8臺柴油發(fā)電機運行時總接地短路電流為125A×8=1000A。

根據(jù)IEEE std C37.101-2006《柴油發(fā)電機接地保護導則》第5條表2可知：

接地故障電流為400～1200A時，采用柴油發(fā)電機低電阻接地，不僅可以降低三次諧波電流的幅值，而且有效地減小了接地故障電流。

根據(jù)IEEE std C62.92.2-2017《電氣系統(tǒng)中性點接地應用導則.第二部分：同步柴油發(fā)電機系統(tǒng)接地》3.2.1條規(guī)定，在柴油發(fā)電機中性點和地之間接入低電阻或接地變壓器，實現(xiàn)柴油發(fā)電機低電阻接地，相對高電阻接地而言，有更小的暫態(tài)過電壓。

綜上所述，本項目柴油發(fā)電機中性點設計采用經低電阻接地。電阻與系統(tǒng)對地電容構成并聯(lián)回路，增大零序電抗，限制單相接地短路電流，同時又能提供足夠的電流和零序電壓，便于接地保護可靠動作。

3.2中性點接地運行方式

柴油發(fā)電機并列運行時，每臺柴油發(fā)電機的中性點如何運行，是本節(jié)研究的重點。

多臺柴油發(fā)電機并列時，若每臺柴油發(fā)電機的中性點分別經電阻接地。在短路計算時，總零序阻抗為單臺柴油發(fā)電機零序阻抗的1/8，計算的單相接地短路電流較單臺急劇增加;并且多點接地時繼電保護比較復雜。因此，在柴油發(fā)電機并列運行時，不推薦采用分別經電阻多點接地，即每臺柴油發(fā)電機中性點不能同時接地。

根據(jù)IEEE 142《工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)接地推薦實施規(guī)程》1.6.6條規(guī)定，當多個接地電阻接地后，若總接地故障電流超過1000A，每臺柴油發(fā)電機的中性點不能同時接地，應將多個柴油發(fā)電機的中性點連接到一個公用中性點接地母線，公用中性點接地母線再經阻抗接地。

根據(jù)IEEE Std C62.92.2-2017《電氣系統(tǒng)中性點接地應用導則.第二部分：同步柴油發(fā)電機系統(tǒng)接地》5.3條規(guī)定，2臺及以上柴油發(fā)電機接于柴油發(fā)電機電壓母線時，應避免采用柴油發(fā)電機中性點經接地變接地的接線，選用了以下兩種中性點接地方案：

方案一：僅有1臺柴油發(fā)電機中性點接地，其余柴油發(fā)電機中性點不接地。此時，每臺柴油發(fā)電機中性點接地電阻有以下兩種設計方案：

（1）僅有一臺柴油發(fā)電機中性點設置接地電阻，其余柴油發(fā)電機中性點不設置接地電阻;

（2）每臺柴油發(fā)電機中性點均設置接地電阻;

很顯然，（1）接地電阻設計方式不可取，原因是若此臺柴油發(fā)電機因故退出運行時，其相應設置的中性點電阻也應當隨之退出運行，則會造成柴油發(fā)電機組失去中性點。因此，應考慮每臺柴油發(fā)電機中性點均配置接地電阻，但僅有一臺柴油發(fā)電機的中性點接地電阻投入運行。為此，應在每臺柴油發(fā)電機中性點與接地電阻之間設置隔離裝置。

方案二：所有柴油發(fā)電機中性點接到一個公用中性點接地母線，公用中性點接地母線經惟一電阻或電抗接地。由于機組特性和外部回路差異，若柴油發(fā)電機與公用中性點接地母線直接連接，則由于電壓差在中性線中產生環(huán)流，容易引起保護誤動作。因此，為避免產生環(huán)流，同時，當某一臺柴油發(fā)電機退出運行時，其對應的中性點也應與公用中性點接地母線斷開，故每個柴油發(fā)電機中性點應考慮設置隔離裝置。

另外，當中性點接地的柴油發(fā)電機因故退出運行時，另一臺柴油發(fā)電機的中性點隔離裝置要在前一臺的柴油發(fā)電機中性點退出運行時閉合。若隔離裝置采用手動操作隔離開關，兩臺柴油發(fā)電機的中性點電阻切換期間，則存在連續(xù)安全操作的風險，柴油發(fā)電機組的中性點由經電阻接地變?yōu)椴唤拥?。因此，為防止柴油發(fā)電機失去中性點，無論采用方案一還是方案二，柴油發(fā)電機中性點隔離裝置宜采用電動操作的隔離開關、斷路器、真空接觸器等，以實現(xiàn)中性點接地的快速、自動切換，保證中性點接地連續(xù)、惟一。

5. 小結

綜上所述，當發(fā)電廠黑啟動電源為多臺發(fā)電機并列運行時，需根據(jù)接地電流大小，合理選擇中性點接地方式，無特殊要求時，推薦采用低電阻接地方式，并采用以下兩種接線的接地方案：

（1）每臺發(fā)電機的中性點連接到一個中性點母線，中性點母線經唯一電阻接地。

（2）僅1臺發(fā)電機中性點經電阻接地，其余發(fā)電機中性點不接地。

以上兩種方案均應在每個發(fā)電機中性點設置電動操作的隔離開關、斷路器、真空接觸器等切換隔離裝置，防止中性點失地，同時實現(xiàn)對柴油發(fā)電機組的靈活控制，提高運行的安全性和檢修的便利性。

作者簡介

何曉慶，工程師，青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司從事大中型火力發(fā)電廠、光熱發(fā)電站、聯(lián)合循環(huán)電站、光伏/風力發(fā)電站、變電站、海水淡化工程等工程的電氣一次專業(yè)設計與技術研發(fā)工作。