二、選擇接地方式的因素

1、與電力系統(tǒng)的關(guān)系

      消弧線圈接地減小了接地故障點(diǎn)的故障電流，消除了間歇電弧引起的過(guò)電壓，允許發(fā)電機(jī)組帶故障繼續(xù)運(yùn)行2h，便于組織搶修或減負(fù)荷停機(jī)，從而避免或減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊和對(duì)用戶的影響。

      我國(guó)早期電力發(fā)展滯后，電力網(wǎng)小，單機(jī)所占比重較大，單機(jī)突然切除對(duì)電網(wǎng)沖擊大，嚴(yán)重影響用戶負(fù)荷。采用消弧線圈接地上述優(yōu)點(diǎn)是明顯的，是與我國(guó)的電力系統(tǒng)狀況相適應(yīng)的。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，盡管單機(jī)容量越來(lái)越大，但其容量占所接入的系統(tǒng)容量比重卻相對(duì)較小，單機(jī)故障保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信、轉(zhuǎn)移負(fù)荷盡快停機(jī)或跳閘、滅磁瞬時(shí)停機(jī)，對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生沖擊或沖擊很小，同時(shí)由于系統(tǒng)備用容量較大，不會(huì)切除系統(tǒng)用戶。特別是近年來(lái)電廠(站)自動(dòng)化水平大大提高，采用“無(wú)人值班，少人值守”進(jìn)行設(shè)計(jì)的電站已成為現(xiàn)實(shí)。采用消弧線圈延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行己沒(méi)有必要。

      采用接地變壓器接地，由于接地故障電流大于消弧線圈接地，單機(jī)故障保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信、轉(zhuǎn)移負(fù)荷盡快停機(jī)或跳閘、滅磁瞬時(shí)停機(jī)，目前的電力系統(tǒng)是允許的，從而為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地多提供了一種選擇方式。由此看來(lái)，電力系統(tǒng)是影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇的一個(gè)主要因素。

      僅就滿足系統(tǒng)要求來(lái)看，無(wú)法確定兩種接地方式孰優(yōu)孰劣。

2、與制造生產(chǎn)的關(guān)系

      由于消弧線圈在我國(guó)已有多年的運(yùn)行歷史，生產(chǎn)制造不成問(wèn)題。但在電站采用接地變高阻接地的方式呈上升趨勢(shì)，發(fā)電機(jī)組用戶采用這種接地方式的也為數(shù)不少案例。理論和實(shí)踐均已證明采用消弧線圈和接地變都是可行的。

      由于利用了變壓器短時(shí)過(guò)載特性，變壓器容量?jī)H為相應(yīng)消弧線圈容量的1/3~1/6。同時(shí)接地變不像消弧線圈需調(diào)節(jié)分接頭，制造較簡(jiǎn)單。因而接地變較消弧線圈應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)的。但接地變多在大中型機(jī)組選用，使用數(shù)量小，生產(chǎn)廠家較少。又由于訂貨數(shù)量小，廠家不愿意接受，生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)制造一套成本高，接地變及保護(hù)裝置要價(jià)也就較高，限制了推廣使用。當(dāng)然，事實(shí)上能否做到經(jīng)濟(jì)，取決于今后的接地方式發(fā)展實(shí)踐。接地方式的選擇不是一個(gè)純技術(shù)的問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也很重要。

      接地變?nèi)萘啃?，可以和保護(hù)繼電器放在一個(gè)箱體內(nèi)，占地面積小，便于布置，這在水電站也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

      從制造生產(chǎn)來(lái)看，兩種接地裝置都可生產(chǎn)，就一般容量為中小型機(jī)組看，設(shè)計(jì)選用接地變接地還不容易讓業(yè)主接受，選廠較難一些。

      在我國(guó)，較大型機(jī)組的中性點(diǎn)接地，不少設(shè)計(jì)單位尊重發(fā)電機(jī)廠意見(jiàn)，或由主機(jī)廠設(shè)計(jì)，配套供貨。所以發(fā)電機(jī)廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣也是影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇的因素。

三、過(guò)電壓和保護(hù)問(wèn)題

1、過(guò)電壓分析

      過(guò)電壓是兩種接地方式都不能回避的問(wèn)題，一般分動(dòng)態(tài)過(guò)電壓和傳遞過(guò)電壓及諧振過(guò)電壓，發(fā)電機(jī)接地時(shí)電壓相量圖如圖3所示。耦合傳遞過(guò)電壓和直接傳遞過(guò)電壓，只要設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)取得適當(dāng)，能滿足繼電保護(hù)的要求，對(duì)設(shè)備不會(huì)構(gòu)成威脅。當(dāng)回路容抗和感抗接近時(shí)，如果發(fā)生單相接地或斷路器不同期操作，會(huì)在發(fā)電機(jī)相接的變壓器或電壓互感器之間出現(xiàn)諧振過(guò)電壓，危及發(fā)電機(jī)絕緣。但實(shí)際發(fā)生的機(jī)率很小，尚未發(fā)現(xiàn)因采用消弧線圈產(chǎn)生危險(xiǎn)過(guò)電壓的實(shí)例。

      已有的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓研究結(jié)果是基于暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的，對(duì)其結(jié)果的認(rèn)識(shí)也不一致。圖4中曲線①是GE公司P.G.Brown等人研究的結(jié)果，曲線②是我國(guó)清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，曲線3是美國(guó)M.V.Hadded等人研究的結(jié)果。上述③條曲線都是對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈接地的情況，當(dāng)發(fā)生單相故障時(shí)發(fā)生重燃，甩負(fù)荷等條件下，頻率偏離工作頻率時(shí)最大暫態(tài)過(guò)電壓。由于是全補(bǔ)償，電感和電容處于諧振狀態(tài)，故稱諧振接地。所不同的是，P.G.Brown等人用純電感模擬消弧線圈，M.V.Hadded等人計(jì)入了消弧線圈的有功損耗電阻，我國(guó)清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)計(jì)入了消弧線圈的有功損耗電阻，同時(shí)采用了分布參數(shù)計(jì)算模擬。曲線④為接地變高阻接地時(shí)的最大暫態(tài)過(guò)電壓。

      從圖4中可以看到，由于忽略消弧線圈的電阻成分，過(guò)電壓倍數(shù)較高。正如研究者所述，試驗(yàn)結(jié)果偏高，僅用作兩種接地方式的比較。消弧線圈接地實(shí)際暫態(tài)過(guò)電壓一般不超過(guò)正常值的3倍。

      接地變高阻接地，由于電阻值較大，回路阻尼率增大，避免了諧振過(guò)電壓的出現(xiàn)，保證暫態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)2.6倍正常工作電壓。從圖中可以看到，高阻接地的過(guò)電壓倍數(shù)在2.5左右。

      有人認(rèn)為，正常頻率下消弧線圈接地過(guò)電壓小于接地變高阻方式下的過(guò)電壓，所以消弧線圈接地優(yōu)于接地變高阻接地，其實(shí)不然。首先，接地變本身也含電感成分，不知實(shí)驗(yàn)研究者計(jì)入此成分否，如果沒(méi)計(jì)入，就不能斷定額定頻率下接地變高阻接地過(guò)電壓高。其次，額定頻率下諧振接地過(guò)電壓低是在單相接地故障條件下的結(jié)論，并非長(zhǎng)期運(yùn)行的工作狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間短，追求較低的過(guò)電壓意義不大。相反，由于甩負(fù)荷等，頻率偏移較大，可以看出，當(dāng)頻率偏移時(shí)，消弧線圈接地遠(yuǎn)較接地變高阻接地過(guò)電壓為大。

      從上述過(guò)電壓分析看，消弧線圈接地比接地變高阻接地要差一些，至少不比高阻接地方式優(yōu)越。實(shí)際我國(guó)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈接地都采用欠補(bǔ)償，沒(méi)有上述研究曲線針對(duì)的諧振接地情況，所以就過(guò)電壓看，還不能斷言哪種接地方式一定優(yōu)于另一種接地方式。 

2、發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)問(wèn)題

（1）重復(fù)接地的必要性

      重復(fù)接地是為了保證發(fā)電機(jī)的安全可靠地運(yùn)行，避免因接地故障引起系統(tǒng)故障、設(shè)備損壞及人身傷害等問(wèn)題，接線方式如圖5所示。在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，如果沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)接地，則可能會(huì)存在以下問(wèn)題：

① 不易發(fā)現(xiàn)接地故障。如果發(fā)生接地故障，沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)接地，則地故障電流無(wú)法形成回路，也就無(wú)法引起保護(hù)裝置的動(dòng)作。在沒(méi)有額外的保護(hù)措施下，接地故障難以檢測(cè)和排除，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。

② 危及人身安全。如果發(fā)電機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有重復(fù)接地，則當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，電流將會(huì)通過(guò)電容電流的方式回路到地，形成觸電危險(xiǎn)。如果此時(shí)人員接觸發(fā)電機(jī)設(shè)備，可能造成電擊傷和生命危險(xiǎn)。

③ 設(shè)備損壞。如果沒(méi)有重復(fù)接地，則當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，地故障電流會(huì)通過(guò)設(shè)備繞組和設(shè)備接地點(diǎn)等地點(diǎn)流過(guò)，這可能會(huì)造成設(shè)備損壞或燒毀。

（2）接地保護(hù)的投運(yùn)方式

      保護(hù)投運(yùn)方式以前按接地電流大于5A時(shí)投跳閘，小于5A時(shí)投信號(hào)。八十年代開(kāi)始，參照我國(guó)有關(guān)發(fā)電機(jī)單相接地電流允許值的規(guī)定，當(dāng)接地電流超過(guò)允許電流時(shí)投跳閘，否則投信號(hào)。從這一點(diǎn)看，消弧線圈接地要延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)帶故障運(yùn)行時(shí)間，而接地變高阻接地故障電流較大，將是瞬時(shí)跳閘，對(duì)保護(hù)發(fā)電機(jī)有利。當(dāng)然對(duì)汽輪機(jī)組啟停一次可能影響大一些。但實(shí)際上大多數(shù)廠家按120MW及以下的發(fā)電機(jī)定子接地只投信號(hào)，200W及以上機(jī)組才投跳閘的保護(hù)方式運(yùn)行。

（3）發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)

       發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)構(gòu)成方式有多種形式。較傳統(tǒng)的是基波零序和三次諧波共同構(gòu)成的。對(duì)于接地變高阻接地，較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，接地變高阻接地將使采用三次諧波保護(hù)的靈敏度下降。但按發(fā)電機(jī)對(duì)地電容為C0=0.1μF，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)發(fā)生接地故障，過(guò)渡電阻在幾千歐。當(dāng)對(duì)地電容增大，無(wú)論哪種接地方式，靈敏度都要下降。特別是為了提高靈敏度，保護(hù)裝置的動(dòng)作判別式相應(yīng)發(fā)生變化，一般趨于復(fù)雜化，理論和實(shí)踐都發(fā)現(xiàn)難于調(diào)整，誤動(dòng)作率較高。所以，如果說(shuō)三次諧波保護(hù)存在問(wèn)題的話，無(wú)論對(duì)哪種接地方式都是一樣的。

（4）勵(lì)磁回路接地保護(hù)的基本原理

      在電力系統(tǒng)中，勵(lì)磁回路是一種關(guān)鍵的設(shè)備，其主要作用是為發(fā)電機(jī)提供足夠的勵(lì)磁電流，保證其正常運(yùn)行，電路如圖6所示。由于勵(lì)磁回路中的電氣設(shè)備較為復(fù)雜且接地故障風(fēng)險(xiǎn)較高，因此采用勵(lì)磁回路接地保護(hù)來(lái)保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

      勵(lì)磁回路接地保護(hù)的基本原理是通過(guò)對(duì)勵(lì)磁回路的監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷故障電源，避免故障擴(kuò)大，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁回路接地保護(hù)采用電流差動(dòng)保護(hù)或電流比率保護(hù)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電流不平衡或保護(hù)裝置接收到異常信號(hào)時(shí)，及時(shí)關(guān)閉勵(lì)磁回路電源。

總結(jié)：

      對(duì)于外加直流或交流低頻電源式定子接地保護(hù)，宜選用接地電阻柜。該裝置在抗干擾、提高靈敏度方面較三次諧波保護(hù)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，但裝置造價(jià)要高一些。從發(fā)展趨勢(shì)看，這種保護(hù)方式在大型機(jī)組上采用的越來(lái)越多。而將配電變壓器換成消弧線圈或單相TV，從上面的分析看，根本達(dá)不到減小發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣破壞時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的危害及提高定子接地保護(hù)的可靠性和靈敏度的目的，缺點(diǎn)還很多。綜上所述，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式在電站以接地變高阻接地稍微具有優(yōu)勢(shì)，一是減少占地面積，二是發(fā)電機(jī)組啟停機(jī)容易。發(fā)電機(jī)組采用何種接地方式，一般應(yīng)作具體比較確定。