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高压柴油发电机中性点接地方式研究

2020-07-24
来源: 礼德动力

0 引 言

配电网中性点与大地之间的电气连接方式称为电网中性点接地方式,也可称为中性点运行方式。中性点采用何种接地方式,是一个涉及面非常广的技术经济问题。接地方式不同将直接影响电压的过压值、电气设备绝缘水平、电网运行可靠性、继电保护的选择性和灵敏度,以及对通信线路的干扰等。

1 中性点常用接地方式

电力系统中常用系统接地分为以下四种:

(1) 中性点直接接地:高压交流电力系统中性点直接接地,系统发生单相接地故障时会形成单相接地短路,短路电流非常大,对继电保护十分有利,非故障相对地电压并不升高,不会造成间隙性弧光过电压。

(2) 中性点经消弧圈接地:高压交流电力系统中性点消弧圈接地,中性点与接地点之间串入一个电抗器,来抵消电容电流,限制单相接地故障的短路电流。

(3) 中性点经电阻器接地(又分高电阻、低电阻):高压交流电力系统中性点高电阻接地,中性点与接地点之间串入一个阻抗较大的电阻,把单相接地故障的短路电流限制在5~20 A;高压交流电力系统中性点低电阻接地,中性点与接地点之间串入一个阻抗较小的电阻,把单相接地故障的短路电流限制在100~1 000 A。

(4) 中性不接地:高压交流电力系统中性点不接地,系统发生单相接地故障时单相接地电流为电容电流,当单相接地电流较小(不大于10 A)时,系统可带故障运行1~2 h,供电连续性较好,缺点是发生单相接地故障时易产生电弧,且接地电流较大时电弧不能自熄,导致产生间隙性弧光过电压,危害设备,破坏绝缘甚至造成多相短路。

1.1 影响选择接地方式的因素

影响选择接地方式的因素有:① 供电可靠性;② 人身设备安全;③ 过电压因数;④ 继电保护;⑤ 投资。

1.2 常用中性点接地方式综合比较

常用中性点接地方式综合比较如表1所示。

表1 常用中性点接地方式综合比较

2 高压柴油发电机中性点常用接地方式

当采用中性点不接地时,如果单相接地故障点位于高压柴油发电机外部,若电容电流大于一定数值,故障点电弧不能自行熄灭,往往伴随间隙性电弧,使建全相产生过电压,造成绝缘损坏,且发电机△接法高次谐波会形成环流线圈发热,故通常采用Y接线。耐压标准为1.5倍额定线电压,即2.6 U

高压柴油发电机通常采用高电阻接地方式,为保证高压柴油发电机安全运行,必须保证在系统发生单相接地故障时,非故障相过电压低于2.6U,若不出现间隙性弧光电压,接地点的阻性电流IR需大于系统总的电容电流I∑c,一般IR≥(1.0~1.5)I∑c,可进一步抑制过电压倍数小于2.5U,当IR≥3.0I∑c(或Xc/R≥3.0)时从抑制内部过电压效果来看即可满足,如图1所示。

高电阻接地方式只有在接地电流较小时,自动熄弧效果才明显,一般适用接地电容电流小于10 A高压系统,上海中心应急高压柴油发电机系统电容电流I∑c为6 A。

通过分析发电机中性点电阻接地的机理,为满足发电机接地型式的原则要求,发电机组接地型式应采用高电阻接地方式。

优点:① 可保证供电的连续性,当单相接地故障电流低于高压柴油发电机安全容许值时,可带故障运行(一般为2 h)。② 间隙性电弧过电压被抑制,使过电压低于2.6U。③ 继电保护简单。

缺点:① 适用于较小规模的高压系统接地电容电流(小于10 A),限制了使用范围。② 单相接地故障发生短路电流较大时,电流流经电阻带来发热问题,时间过长会烧毁电阻。

图1 系统阻抗与暂态过电压倍数关系图

3 上海中心应急高压柴油发电机中性点接地电阻选型

3.1 中性点接地电阻选型

各柴油发电机公司对中压柴油发电机中性点接地电阻选型不一样,控制方式也不同,国家对此也没有统一规定。

(1) 有接地电流控制在100~150 A,也有控制在10~30 A,也有为额定电流的10%。

(2) 多台柴油发电机并机+多台接触器+合用1个电阻接地方案,也有多台柴油发电机并机+多台接触器+多个电阻接地方案,前者造价低、占地小,但控制逻辑复杂,后者反之。

(3) 有采用多台柴油发电机并机运行时采用1个接触器闭合来控制环流,也有采用多个接触器闭合有环流控制器方案。

上海中心应急高压柴油发电机中性点接地电阻为

RNU/Ω

因此,选用4台2 500 kW(备用功率)/10.5 kV,合用1台303 Ω带温度报警高压电阻箱,采用4台高压交流接触器投切。

4 高电阻接地单相接地故障短路电流计算

电缆单相接地故障短路电流示意图如图2所示。

图2 电缆单相接地故障短路电流示意图

电缆完全金属性单相接地故障短路电流为

.7 A

其中,Icx为被保护线路电容电流,上海中心最短一路电缆电容电流值为0.15 A,最长一路电缆电容电流值为0.7 A。

电缆故障点经过渡电阻Rg=(30~300)Ω,单相接地故障短路电流为

当应急高压柴油发电机系统发生单相接地故障总短路电流为20.7A,最大运行方式时4台柴油发电机各负担电流5.2 A,最小运行方式时3台柴油发电机各负担电流6.9 A,不影响柴油发电机运行。

5 高电阻接地线路的零序电流继电保护和高压电阻箱的零序继电电流保护计算

5.1 线路的零序电流保护Idz0x计算

按躲过被保护线路电容电流条件,计算线路零序电流保护定值为

Idz0x=KIcx

式中: K——可靠系数,取4~5。

灵敏度为

Km=IdIdz0x≥2

主保护时,Km≥2,后备保护时Km≥1.5。

线路零序CT变比为100/1,零流1电流保护定值(二次侧)为

Idz0x=5×0.53/100=0.0265 A

取0.06A/0.8 s(发信)时,灵敏度为

Km=20.7/(0.06×100)≈3.4≥2

零流2电流保护定值(二次侧)为

Idz0x= 4×0.53/100=0.0212 A

取0.03/1.6 s(发信)时,灵敏度为

Km=11.3/(0.03×100)≈3.8≥2

5.2 高压电阻箱的零序电流保护Idz0R计算

比下级零序保护定值大1.1~1.2倍,时限大Δt=0.3 s。

高压电阻箱零序CT变比为50/5,零流1电流保护定值(二次侧)为

Idz0R= 1.1×0.06×100/10=0.66 A

取0.7A/1.1 s(发信)时,灵敏度为

Km=20.7/(0.7×10)≈2.9≥2

零流2电流保护定值(二次侧)为

Idz0R= 1.1×0.03×100/10=0.33 A

取0.4A/1.9 s(发信)时,灵敏度为

Km=11.3/(0.4×10)≈2.8≥2 为确保人身安全,接触电压应满足国家规范:当保护动作时间大于1 s时,接触电压值为50 V。

故障点对地电压为

UgzIdRjd=20.7×1=20.7 V<50 V

其中,Rjd为接地电阻值,≤1.0 Ω。

6 高电阻接地运行策略

(1) 当系统发生单相接地故障时,短路电流较小,不足以使高压电阻箱温度报警,也不影响柴油发电机运行,4台柴油发电机按中性点接高电阻接地方式运行。

(2) 当系统发生单相接地故障时,短路电流较大,使高压电阻箱温度报警,柴油发电机控制系统控制4台高压交流接触器切除中性点接地的高电阻,4台柴油发电机按中性点不接地方式运行。

(3) 4台柴油发电机按中性点不接地方式运行,系统电缆的对地电容电流I∑cL计算如表2所示。由表2可知,上海中心的线路电容电流和约为4 A。

表2 系统电缆的对地电容电流I∑cL计算

含系统配电柜和电缆对地形成系统电容电流为

I∑cα(1+β)I∑cL=

1.3×(1+15%)×4=6 A

式中: α——裕度系数,取1.2~1.8; β——配电装置影响率,取15%~20%。

(4) 中性点不接地方式运行时线路零序电流保护灵敏度(后备保护≥1.5)为

Km= (I∑c-Icx)/Idz0x=(6-0.53)/3≈1.8≥1.5

(5) 中性点不接地方式运行方式对柴油发电机的影响。单相接地故障电流为系统总电容电流6 A,最大运行方式时4台柴油发电机各负担电流1.5 A,最小运行方式时3台柴油发电机各负担2.0 A,不影响柴油发电机运行。

7 中性点接地电阻系统图

上海中心应急高压柴油发电机中性点接地电阻系统如图3所示。

图3 上海中心应急高压柴油发电机中性点接地电阻系统

8 结 语

高压柴油发电机中性点接地方式是涉及面非常广的经济问题。各国、一个国家中的不同城市的配电网中性点接地方式都不尽相同,主要根据自身的运行经验和传统来确定。