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發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高阻接地的優(yōu)點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2023-07-08 09:25:00  ▏閱讀:

 

新聞主題

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高阻接地的優(yōu)點(diǎn)

 

摘要:所謂接地形式,實(shí)際上指的是電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式,為便于分析,根據(jù)產(chǎn)生電能原理的不同把DG分為兩類(lèi):一類(lèi)具有轉(zhuǎn)子/定子結(jié)構(gòu),通過(guò)電磁感應(yīng)原理把軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,如及柴油發(fā)電機(jī)組等,這一類(lèi)DG自身具備中性點(diǎn),可以引出中性導(dǎo)體,保護(hù)導(dǎo)體PE(ProtectiveConductor)可以與中性點(diǎn)直接聯(lián)結(jié),既能配置為中性點(diǎn)直接接地的TN系統(tǒng),也能配置為中性點(diǎn)浮空的IT系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器高阻接地方式,由配電變壓器和變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻構(gòu)成,經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)??筛鶕?jù)不同的保護(hù)方案配置不同的保護(hù)裝置??得魉拱l(fā)電機(jī)廠(chǎng)家下面在本文中就主要的設(shè)備變壓器和電阻器的選擇計(jì)算進(jìn)行相應(yīng)的闡述。

 

一、接地變壓器

 

1、接地變壓器型式選擇

      接地變壓器為單相配電型變壓器,所以也稱(chēng)配電變壓器,由于其二次側(cè)并聯(lián)電阻,所構(gòu)成的接地方式也稱(chēng)配電變高阻接地方式。

      根據(jù)運(yùn)行情況,接地變壓器可選擇油浸式變壓器或干式變壓器。油浸變壓器防潮性和絕緣性好,耐受電壓高,但防火要求高,不便于布置;干式變壓器有敞露線(xiàn)圈的普通干式變壓器和環(huán)氧澆注式變壓器兩種,較油浸變壓器要貴。環(huán)氧澆注式變壓器不適合突然過(guò)負(fù)荷的情況,但不受環(huán)境的影響;普通干式變壓器由于線(xiàn)圈敞露,受環(huán)境與空氣影響較大,容易受潮、積灰,所以要求更高的絕緣性能,但對(duì)防火的要求相對(duì)較低,能設(shè)置在箱體內(nèi)。環(huán)氧樹(shù)脂與填料混合澆注干式變壓器散熱條件差,所以長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷能力不如油浸式,但干式變壓器線(xiàn)圈的電流密度小,對(duì)于接近絕熱過(guò)程的短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力比油浸式強(qiáng)。新型的干式變壓器為玻璃纖維全纏繞環(huán)氧樹(shù)脂真空澆注,具有散熱性能好、體積小、過(guò)載能力大、絕緣水平高的特點(diǎn)。

      因接地變壓器多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在接近空載狀態(tài)下,過(guò)負(fù)荷時(shí)間較短,綜合以上因素,宜選干式變。當(dāng)然,宜選已有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)定型生產(chǎn)的干式變型式,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。

 

發(fā)電機(jī)接地變壓器結(jié)構(gòu)圖.png

圖1 發(fā)電機(jī)接地變壓器結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機(jī)接地變壓器原理圖.png

圖2 發(fā)電機(jī)接地變壓器原理圖

 

2、接地變壓器電壓選擇

(1)變壓器額定電壓值

      接地變壓器一次線(xiàn)圈的最高運(yùn)行電壓為發(fā)電機(jī)單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對(duì)地電壓。發(fā)電機(jī)單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對(duì)地電壓最大為相電壓,即允許相電壓1.05 Ex。從有關(guān)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)變壓器一次側(cè)電壓采用相電壓和采用高于相電壓的兩種情況,對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響幾乎沒(méi)有差別。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或故障疊加時(shí),發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)可能出現(xiàn)1.5倍相電壓的過(guò)渡電壓。所以,對(duì)于18kV級(jí)以下的發(fā)電機(jī),為留有余地,防止變壓器過(guò)飽和,接地變一次側(cè)額定電壓按發(fā)電機(jī)線(xiàn)電壓選定。因?yàn)檫@樣必將使變壓器容量的冗余度大,所以對(duì)于18kV級(jí)及以上的發(fā)電機(jī),為節(jié)約投資,可選用發(fā)電機(jī)相電壓為接地變的一次側(cè)額定電壓值,其額定電壓即為發(fā)電機(jī)相電壓。

      接地變二次側(cè)電壓,按國(guó)家標(biāo)稱(chēng)電壓的標(biāo)準(zhǔn),可選0.4kV或0.23kV電壓級(jí),也可根據(jù)電阻材料截面積及繞制方式統(tǒng)一考慮確定。為滿(mǎn)足繼電保護(hù)測(cè)量電壓的需要,在接地變壓器可能出現(xiàn)最高電壓時(shí),使空載抽頭電壓等于二次儀用標(biāo)稱(chēng)電壓100V。當(dāng)發(fā)電機(jī)額定電壓為UN,變壓器一次側(cè)標(biāo)稱(chēng)電壓為U1,變壓器二次側(cè)標(biāo)稱(chēng)電壓為時(shí)U2,變壓器變

KB U÷UU÷1003.............................(公式1)

(2)變壓器工頻耐壓值

      變壓器工頻耐壓值可按兩種方法選擇。一種是按發(fā)電機(jī)工頻1分鐘耐壓選取。發(fā)電機(jī)繞組為全絕緣結(jié)構(gòu),工頻1分鐘耐壓值根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB-755-87》規(guī)定:“容量小于或等于10MW的機(jī)組,試驗(yàn)電壓為(2UN+1000)V;大于10MW的機(jī)組,試驗(yàn)電壓為(標(biāo)稱(chēng)電壓為6000-17000V)(2UN+3000)V”。另一種接地方法是根據(jù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接入負(fù)載電阻限制過(guò)電壓的水平?jīng)Q定的。一般接地電阻的選取,使電阻功率等于電容消耗功率,此時(shí)暫態(tài)過(guò)電壓不大于相電壓峰值的2.6倍,即發(fā)電機(jī)額定電壓的1.5倍。在選擇接地變耐壓值時(shí)預(yù)留15%的裕度,2.6*1.15=3Ux,即3倍的相電壓。

      由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置的投資遠(yuǎn)比發(fā)電機(jī)投資小,接地變壓器提高一級(jí)耐壓值,投資增加有限(一般約為變壓器投資的10%),所以一般按第一種方法選擇是合適的。當(dāng)然,具體問(wèn)題還要具體分析。

3、接地變壓器容量的選擇

      接地變壓器容量選擇,可先按連續(xù)工作計(jì)算負(fù)荷,再按變壓器短時(shí)過(guò)載能力確定容量。

(1)連續(xù)工作計(jì)算負(fù)荷設(shè)接地變負(fù)載電阻一次側(cè)值為R,額定電壓為U1,電流值為IR,則變壓器計(jì)算容量

SUR............................(公式2)

當(dāng)接地電阻選擇按單相短路接地時(shí)電阻功率等與電容功率計(jì)算,流過(guò)接地變的電流IR等于發(fā)電機(jī)回路對(duì)地總的電容電流IC,即R=13ωCo,得

SN=U1IR=U1(UN÷3R )=U1(3UN÷3R )ωC0=3UNU1ωC0MVA............................(公式3)

式中,UN——發(fā)電機(jī)額定電壓,KV;

C0——發(fā)電機(jī)電壓回路每相對(duì)地電容,F(xiàn);

ω——發(fā)電機(jī)角頻率,ω=2πf。

(2)接地變壓器短時(shí)過(guò)負(fù)荷倍數(shù)的確定

      接地變長(zhǎng)期運(yùn)行在接近空載狀態(tài),即處于發(fā)電機(jī)三次諧波和傳遞過(guò)電壓的微載狀態(tài),當(dāng)發(fā)生接地等不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),變壓器運(yùn)行時(shí)間取決于所在回路繼電保護(hù)確定的允許帶故障運(yùn)行時(shí)間。一般大中型機(jī)組均采用故障保護(hù)動(dòng)作跳閘停機(jī),時(shí)間非常短。所以在選擇變壓器容量時(shí),要考慮變壓器的短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力。

      一般工程均按1分鐘考慮過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間,過(guò)負(fù)荷系數(shù)K差異較大,受變壓器型式和機(jī)組大小的影響,K=3~6。

      若接地變一次額定電壓U1為發(fā)電機(jī)額定電壓UN,考慮過(guò)負(fù)荷系數(shù)K后,由公式(3)得接地變壓器容量

SN = √3UNU1ωC0÷K = √3U2NωC0÷K (MVA)............................(公式4)

      若接地變一次額定電壓U1為發(fā)電機(jī)相電壓UX,上式變?yōu)?/span>

SN = √3UNUxωC0÷K = √3U2NωC0÷(MVA)............................(公式5)

      上面給出的公式,是以IR等于電容電流IC,即R=1/3ωCo為前提條件的。如果電阻選擇為了限制接地故障電流或?yàn)榱藵M(mǎn)足繼電保護(hù)裝置動(dòng)作值的要求,必有R≠1/3ωCo,此時(shí)要以實(shí)際電流IR代入公式(2)計(jì)算變壓器容量,一般不再考慮過(guò)負(fù)荷系數(shù)K。

 

二、接地變二次負(fù)載電阻器

 

1、接地電阻值的選取

      發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用高阻接地,一要限制弧光接地過(guò)電壓的倍數(shù),二要限制故障電流,同時(shí)滿(mǎn)足繼電保護(hù)的要求。接地電阻值的選取無(wú)疑也是從這兩點(diǎn)出發(fā)的。

     接地電阻測(cè)量如圖3所示,測(cè)量時(shí)在被測(cè)的土壤中沿直線(xiàn)插入四根探針,并使各探針間距相等,各間距的距離為L(zhǎng),要求探針入地深度為L(zhǎng)/20cm,用導(dǎo)線(xiàn)分別從C1、P1、P2、C2各端子與四根探針相連接。若地阻儀測(cè)出電阻值為R,則土壤電阻率按下式計(jì)算:

Ф=2πRL

其中,Ф——土壤電阻率(Ω·cm);

L——探針與探針之間的距離(cm);

R——地阻儀的讀數(shù)(Ω);

 

用此法測(cè)得的土壤電阻率可近似認(rèn)為是被埋入探針之間區(qū)域內(nèi)的平均土壤電阻率。

發(fā)電機(jī)接地土壤電阻率.png

圖3 發(fā)電機(jī)接地土壤電阻率.

發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)試.png

圖4 發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)試

 

(1)按暫態(tài)過(guò)電壓選取電阻值

      發(fā)電機(jī)在大修前及局部更換繞組后,其交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)為額定電壓的工1.5倍。因此在運(yùn)行中,1.5UN=2.6UX及以下過(guò)電壓被認(rèn)為是安全的,一般作用于發(fā)電機(jī)的過(guò)電壓不宜超過(guò)2.6倍相電壓。

      理論分析計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,當(dāng)中性點(diǎn)電阻消耗功率等于發(fā)電機(jī)電壓回路電容消耗功率時(shí),發(fā)電機(jī)弧光過(guò)電壓和機(jī)組故障甩負(fù)荷過(guò)電壓不大于發(fā)電機(jī)相電壓的2.6倍,此時(shí)發(fā)電機(jī)電阻值等于或近似等于發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地總?cè)菘梗?/span>

R=XC0=1/3ωC0(Ω)............................(公式6)

式中,XC0-發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地總?cè)菘梗?Omega;。

      表1是3組大型發(fā)電機(jī)在不同接地電阻值下,發(fā)生單相接地故障時(shí)產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓倍數(shù)表。

表1  中性點(diǎn)不同電阻值與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系

接地電流
最大值
Io(A)
中性點(diǎn)接地
電阻
R(Ω)
電容C0=1.81μF
電容C0=3.6μF
電容C0=3.32μF
容抗XC0=586.5Ω
容抗XC0=294.5Ω
容抗XC0=320Ω
R/XC0
過(guò)電壓倍數(shù)
R/XC0
過(guò)電壓倍數(shù)
R/XC0
過(guò)電壓倍數(shù)
5
2310
3.94
3.5
7.84
4.0
7.22
3.9
10
1155
1.97
3.0
3.92
3.5
3.61
3.4
15
770
1.31
2.7
2.61
3.2
2.41
3.2
20
577
0.98
2.5
1.96
3.0
1.80
2.9
25
462
0.79
2.4
1.57
2.8
1.44
2.7
30
385
0.66
2.35
1.31
2.7
1.20
2.6

      表1中對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)每相對(duì)地電容1.81μF和總對(duì)地電抗586.5Ω的數(shù)組,繪出曲線(xiàn)如圖5。

      由表1和圖5我們可以清楚地看出,隨著接地電阻的增加,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電流明顯減小,但接地過(guò)電壓倍數(shù)卻逐漸增加。隨著接地電阻R的減小,發(fā)生接地故障的弧光過(guò)電壓倍數(shù)下降,當(dāng)R減小至低于發(fā)電機(jī)對(duì)地容抗XC0后,弧光過(guò)電壓的倍數(shù)下降將變得十分緩慢,而發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)故障電流變大,危及發(fā)電機(jī)定子鐵心。

      實(shí)際工程一般按公式(6),選取接地電阻R,以保證弧光過(guò)電壓在較安全的數(shù)值下。當(dāng)接地電阻是按限制接地電流和滿(mǎn)足繼電保護(hù)需要選擇時(shí),接地電阻大于發(fā)電機(jī)對(duì)地容抗,此時(shí)要校核發(fā)電機(jī)絕緣是否滿(mǎn)足過(guò)電壓的水平,從而確定電阻值的選擇。

      將R按接地變變比折算到接地變低壓側(cè),便得接地變二次側(cè)實(shí)際接入的電阻值,一般還要計(jì)入接地變本身的內(nèi)阻的影響,其計(jì)算公式如下

R2=R÷KB(2)-(PKU22÷S22(Ω)............................(公式7)

式中,R2——接地變壓器二次側(cè)實(shí)際接入的電阻,Ω;

U2——接地變壓器低壓側(cè)電壓,KV;

SN——接地變壓器容量,KVA;

PK——接地變壓器負(fù)載總損耗,W。

 

發(fā)電機(jī)接地電阻與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系曲線(xiàn)圖.png

圖5 發(fā)電機(jī)接地電阻與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系曲線(xiàn)圖

 

 

(2)按發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)故障電流選取電阻值

      在高阻接地方式中,接地點(diǎn)故障電流很難減小。為了定子鐵心安全,流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最大接地故障電流限制在一定數(shù)值下,一般取為Imax=15A,一般認(rèn)為在此電流下持續(xù)5~10分鐘定子鐵心只受輕微損傷。按IEEE《發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則》的規(guī)定,接地變二次電阻應(yīng)限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最大接地故障電流Imax不超過(guò)20A。此電流的確定宜應(yīng)與發(fā)電機(jī)制造廠(chǎng)咨詢(xún),具體確定。按此電流的限制,得

RUN÷3Imax(Ω)............................(公式8)

代入公式(7)得R2。

(3)滿(mǎn)足繼電保護(hù)裝置選取電阻值保護(hù)接地裝置對(duì)接地電阻由數(shù)值的要求,由于接地保護(hù)形式的多樣化,要求也不一樣。

      按照繼電保護(hù)配置規(guī)程的規(guī)定,大型發(fā)電機(jī)組單相接地故障電流達(dá)到5A時(shí),定子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳閘。據(jù)此,利用公式求解出的電阻值,作為接地電阻選取的一個(gè)條件。一般電站能否按此選擇,應(yīng)作具體分析,因?yàn)橛纱丝赡苁闺娮钄?shù)值較大,暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)上升,超過(guò)發(fā)電機(jī)絕緣電氣強(qiáng)度。

2、高阻接地的單相接地故障電流

      發(fā)電機(jī)定子及其電壓回路單相接地故障電流的大小,主要取決于發(fā)電機(jī)定子及發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地電容的大小,對(duì)地電容越大故障電流越大。當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí),故障電流If即電容電流IC,得

 If = Ic = 3E ÷-jXC= E ÷-jXCo = j3ωXCoE(A)............................(公式9)

      當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地時(shí),設(shè)高阻接地阻抗為Zn,得

 If = Ic = 3E ÷(3Zn / -jXC)=(E÷Zn)+ (3E÷-jXC)= E÷Zn+j3ωXCoE............................(公式10)

      當(dāng)認(rèn)為Zn,為純阻性電阻R時(shí),設(shè)其電流為IR,一般R(接地變壓器二次側(cè)負(fù)載電阻折算到一次側(cè)的電阻值)的取值按公式(6)選取時(shí),則由上

發(fā)電機(jī)接地變壓器電阻值計(jì)算公式.png

      由公式(10)我們看出,發(fā)生單相接地故障時(shí),故障點(diǎn)接地電流由電容電流和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電流兩部分組成。當(dāng)忽略接地變壓器電抗,且為了限制弧光接地過(guò)電壓接地變負(fù)載電阻取值等于發(fā)電機(jī)電壓回路總?cè)菘梗窗垂?6)選取R時(shí),高阻接地的故障電流模量為電容電流模量的2倍,此時(shí)故障點(diǎn)電流加大,顯然這是不利的。因此一般采用高阻接地方式的發(fā)電機(jī),故障后及時(shí)切機(jī),以保護(hù)發(fā)電機(jī)定子不受損壞。實(shí)際上,接地變和負(fù)載電阻電抗并不為零,還有個(gè)別機(jī)組為了限制接地故障電流,電阻取值大于接地總?cè)菘?,因而故障電流并不?huì)達(dá)到電容電流的2倍。

3、接地電阻測(cè)試裝置

      接地電阻測(cè)試儀也叫接地電阻測(cè)量?jī)x、接地?fù)u表。接地電阻測(cè)試的測(cè)試原理是,通過(guò)被測(cè)物的接地電極"E"和供電電極"H(C)",之間的交流恒電"I",即可得到接地電阻值"Rx",發(fā)現(xiàn)接地電極"E"和 測(cè)量電極"S(P)"之間的位差"V"。

 

發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)量?jī)x接線(xiàn)圖(1).png

圖6 發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)量?jī)x接線(xiàn)圖(1)

發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)量?jī)x接線(xiàn)圖(2).png

圖7 發(fā)電機(jī)接地電阻測(cè)量?jī)x接線(xiàn)圖(2)

 

      接地電阻測(cè)試儀是檢測(cè)接地電阻是否合格的電力設(shè)備。接地電阻測(cè)試儀的測(cè)試方式是電氣設(shè)備依靠大地連接成同電位,是反應(yīng)導(dǎo)線(xiàn)或防雷引下線(xiàn)與大地接觸的緊密程度。接地電阻測(cè)試儀測(cè)量出來(lái)的數(shù)值大小是保證人身安全的一種有效措施。

 


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