水泥厂余热电站发电机中性点接地方式的研究

李大庆，田雷

水泥厂余热电站发电机中性点接地方式的研究

李大庆，田雷

水泥厂余热电站发电机需要与水泥生产线现有电网并网运行，余热电站发电机中性点接地方式需要与水泥生产线现有电网接地方式匹配。参考国内外发电机接地故障电流允许值要求，本文对发电机中性点主要接地方式进行分析对比，就各自优缺点进行讨论，为水泥生产线余热电站发电机中性点接地方式的选择提供参考。

发电机；中性点；接地方式；余热电站

1　前言

水泥厂余热电站发电机定子绕组的单相接地，是由于定子绕组与铁芯间的绝缘破坏或者发电机出口电缆的单相接地造成的，是发电机最常见的一种故障。

由于水泥厂余热电站发电机需要与水泥生产线原有配电网并网运行，所以发电机接地方式要与水泥生产线原有电网保持一致。

国内水泥生产线余热电站发电机中性点主要的接地方式是不接地和经消弧线圈接地，定子单相接地故障并不会产生大的故障电流，所以定子绕组单相接地保护通常只发信号而不跳闸，在定子单相接地保护动作发出信号后，运行人员应减小机组负荷，尽快实现停机检修。

国外项目发电机中性点接地方式多样，存在中性点经小电阻接地的方式，定子单相接地故障时通过小电阻将故障电流控制在几百安培（一般是200～600A）。故障电流选择需考虑最小化故障，减小设备损坏，同时，继电保护装置得到有效电流信号，可以选择性跳闸。

2　国内外对发电机定子单相接地电流允许值的研究

早在1933年，前苏联电站部技术司曾规定发电机单相接地电流允许值为5A。＜5A时，允许发电机单相接地时继续运行2h，以便值班人员采取适当措施；＞5A时，单相接地故障的发电机将保护跳闸。

上世纪70年代初，捷克动力研究院通过试验研究证明，单相接地电流持续2A是安全的，考虑一定裕度，规定单相接地电流允许值为1.0～1.5A。

瑞士BBC曾认为接地电流20～40A，持续2s时，铁芯仅轻微损伤，发电机发生定子接地故障后要进行检修，上述轻微损伤是可以接受的。

有的国家甚至将发电机中性点经附加电阻接地，使接地故障电流达到100A，相应的定子接地保护不仅没有死区，而且还能区分接地故障发生在发电机内部或外部，这对于共母线的中小型发电机的定子接地保护是必要的，但也不是唯一的或是最好的方案。所以增大接地故障电流的保护方案必须使故障发电机立即跳闸。

上世纪80年代初，我国河南电力科学试验研究所进行了定子铁芯在电容电流作用下的烧伤试验。试验得出了在不同额定电压及容量下发电机定子发生单相接地故障时允许的接地电流值。

单相接地安全电流值见表1。

当单相接地电流小于上述安全电流时，定子接地保护动作后可考虑只发信号而不跳闸，但应及时处理转移负荷，平稳停机以免另一点再发生接地故障而烧毁发电机。

因此，限制单相接地电流在安全值范围内，是保证发电机安全的一个重要条件。

3　发电机中性点接地方式

发电机单相接地故障会灼伤铁芯，因为不同电压等级的发电机其电容电流形成电弧的大小不同，而且电压越高，形成电弧的电流越小，所以电压越高定子接地保护的启动值也越小。如果进一步发展，首先是铁芯灼伤后会造成磁场分布不均，定子绕组局部温度高，后果必然是相间短路损坏发电机。不同的中性点接地方式对应着不同的单相接地故障的处理方式（图1）。

3.1中性点经低阻抗接地

（1）定子单项接地故障时通过小电阻将故障电流限制在几百安培（一般是200～600A）。故障电流选择需考虑最小化故障，减小设备损坏，同时，继电保护装置得到有效电流信号，可以选择性跳闸。

（2）故障电流的下限选择根据保护装置的灵敏性，故障电流的上限选择基于接地期间电站的损失和对电缆屏蔽的损害。

（3）对多电源系统，总的接地故障电流会非常高。中性点低电阻接地对于连接的公共母线上的发电机是常用的接地方式，馈电保护要有选择性。当发电机和星形接线的变压器并列连接到母线上、发电机退出运行时，允许变压器中性点接地。

3.2中性点不接地

适用于125MW及以下的中小机组，且单相接地电流应不超过允许值。此时，发电机中性点应装设电压为额定相电压的避雷器，防止三相进波在中性点反射引起过电压；在出线端应装设电容器和避雷器，以削弱当有发电机电压架空直配线时进入发电机的冲击波陡度和幅值。

发电机单相接地电流允许值以河南电力科学试验研究所进行的定子铁芯在电容电流作用下的烧伤试验为基础。

3.3中性点经高电阻（发电机中性点接地电阻柜）接地

（1）适用于200MW及以上的大机组。

（2）中性点经高电阻接地后，可达到：限制过电压≯2.6倍额定相电压；限制接地故障电流≯10～15A；为定子接地保护提供电源，便于检测。

（3）为减小电阻值，一般经配电变压器接入中性点，电阻接在配电变压器的二次侧。部分机组也有不经过配电变压器而直接接入数百欧姆的高电阻。

（4）发生单相接地时，总的故障电流不宜＜3A，以保证接地保护不带时限，立即跳闸停机。

3.4中性点经消弧线圈（谐振）接地

（1）适用于单相接地电流大于允许值的中小机组，或200MW及以上要求能带单相接地故障运行时的大机组。

（2）对具有直配线的发电机，宜采用过补偿的方式；对单元接线的发电机，宜采用欠补偿方式。经补偿后的单相接地电流一般＜1A，因此，可不跳闸停机，仅作用于信号。

（3）消弧线圈可接在直配线发电机的中性点上，也可接在厂用变压器的中性点上，当发电机为单元连接时，则应接在发电机中性点上。

表1　单相接地安全电流值

图1　发电机发生单相接地故障示意图

4　发电机各中性点接地方式优缺点

4.1中性点经低阻抗接地

（1）巨大的有效故障电流保证了母线和出线断路器继电保护的灵敏性和选择性。

（2）限制暂态过电压到一个中等的值，相对其他接地方式潜在花费少。

（3）高电流接地故障时，发电机定子铁芯叠片可能会严重发热。

（4）多电源并列的多点接地系统，大电流可能导致严重的损坏，故障电流大的变化可能会导致继电保护的配合问题。应适当考虑中性点通过避雷器的接地方式。

苏丹某项目水泥生产线原配电系统接地方式为中性点经小电阻接地。余热电站发电机中性点接地方式为经小电阻接地，限制接地电流为50A。继电保护主保护设置为12A，0s跳闸，并设置后备保护3A，1s跳闸。

4.2中性点不接地

（1）由于发电机的中性点不接地运行，当定子绕组发生单相接地时，流过故障点的电流仅为很小的电容电流，有效地限制了接地电流的破坏作用。到目前为止，我国、前苏联及一些其他国家的电容电流较小的发电机，中性点仍采用这种不接地方式。

（2）随着机组容量的增大和运行电压的升高，当电容电流接近或达到某一临界值时，接地电弧不能自行熄灭，电弧接地过电压又会产生新的危害。随着机组容量的增大，铁芯烧损后果严重，允许的接地故障电流日趋减少。所以这种不接地方式的应用，受到接地电容电流的限制。

国内余热发电项目发电机中性点多数为经避雷器接地。继电保护设置，根据不同继电保护厂家的设备设置定子接地保护定值：或者为一点接地报警，两点接地跳闸；或者为一点接地设置2个定值，分别实现报警和跳闸。

4.3中性点经高电阻（发电机中性点接地电阻柜）接地

（1）对于300MVA及以上的大容量发电机组，目前世界各国普遍采用的是中性点经高电阻或中性点经消弧线圈接地方式。采用中性点经高电阻接地方式，其主要目的是限制接地电弧重燃及中性点出现的积累性电压升高，从而降低电弧接地过电压。目前对于水泥厂余热发电机组使用较少。

（2）发电机中性点经高电阻接地方式有许多方案，其中以单相配电变压器电阻的方案为最优。配电变压器二次侧所接的电阻为一消能元件，可增大零序回路阻尼，抑制暂态过电压。但因此也增大了接地电流，这就要求当发电机定子绕组发生单相接地故障时能迅速切除机组。

（3）由于此种装置简单且易于配置，故得到广泛的应用。在西方欧美国家已经形成一种使用惯例，在国内许多大型汽轮发电机组和水轮发电机也都采用配电变压器的接地方式。

（4）这种接地方式的缺点是无法减小接地电容电流，只能增大接地故障电流。因此对于大电容电流发电机，接地故障电流数倍乃至十数倍地超过发电机的安全接地电流，暂态接地电流更大，使短时间跳开故障的发电机铁芯迭片的熔化焊接现象也很难避免，难以适用这种接地方式。

4.4中性点经消弧线圈（谐振）接地

（1）中性点经消弧线圈接地方式的作用是：利用其产生一个电感电流，与接地点的电容电流的方向正好相反，将电容电流抵消，以消除产生电弧的条件，将接地故障电流保持在较低的水平。

（2）世界上第一台消弧线圈（谐振）接地方式，于1917年在德国Pleidelsheim电厂发电机的中性点投入运行。随着理论和实践的不断充实，谐振接地逐渐在世界各地得到了广泛的应用。我国和前苏联大容量的水轮和汽轮发电机、欧洲的部分发电机和美国新英格兰电力系统中的所有发电机，中性点全部经消弧线圈接地运行，长期以来效果良好。谐振接地方式已经成为足以与高电阻接地方式匹敌的另一大分支。美国AIEE旋转电机专业委员会曾经在《同步发电机系统接地方式应用指南》中，明确指出了发电机中性点谐振接地方式具有限制暂态过电压等优点。

（3）尽管消弧线圈的接地方式在国内大电容电流发电机上得到了一定的应用，但是消弧线圈的接地方式还存在以下不利因素：

a参数选择须考虑的因素较多。如果没有经过全面的分析计算，选定的参数不合适，将会使发电机三相对地电压长期有较大偏移，甩负荷时电压偏移更大。

b潜在的过电压危险。研究表明，当故障点发生在电网侧时，零序电压经耦合电容传递到发电机侧，若采用过补偿方式，传递过电压可能趋向无穷大，将威胁发电机安全。而采用完全补偿方式，又会出现人们所担心的谐振过电压。因此，理论上经消弧线圈接地方式应该是欠补偿方式。然而在实际应用中过补偿方式却运用最多。另外，在发电机组启、停及甩负荷等过程中，如果再出现接地或二次重燃，将会有较大的暂态过电压。准确分析暂态过电压的大小，是十分困难的。国内外都只是通过仿真进行模拟估算，在消弧线圈内阻较小，脱谐度很小时，间歇电弧会产生危险的过电压。

c保护配置比较复杂，需要增设高压侧零序制动电压，以防止保护误动。

国内水泥生产线原有配电系统中性点接地方式为经消弧线圈接地，增加发电机后单相接地电容电流值超过国标中的允许值，选择余热电站发电机中性点经消弧线圈接地方式，消弧线圈容量选择需要依据整个电网的系统参数。

5　结论

上文分析了各种接地方式的优缺点，由此，我们可以得到如下结论：

（1）国内外电网的发展水平相差较大，水泥厂余热电站发电机中性点的接地方式要依据当地国家的情况具体考虑。

（2）水泥生产线余热电站项目大多是在水泥生产线原有配电系统中增加发电机，并与原有配电网并列运行。

余热电站发电机的中性点接地方式要根据原有电网中性点接地方式，综合考虑系统的稳定性、可靠性，在保证继电保护合理配置的前提下进行。

（3）水泥厂配电网采用小电阻、消弧线圈接地方式，或者不清楚现有电力系统接地方式。

在对现有系统接地方式不产生影响的情况下，我们可以考虑选择中性点经避雷器接地的方式，优点如下：

a不影响原有系统接地方式，对现有系统影响小。

b根据配电网需要，单相接地故障需要发电机跳闸停机，可以通过继电保护装置设置。

c将来若要改变中性点的接地方式，也很容易实施。

[1]弋东方.电力工程电气设计手册[M].北京：水利电力出版社，1989.

[2]中国电力企业联合会主编.小型火力发电厂设计规范[M].北京：中国计划出版社，2011.

[3]西北电力设计院主编.发电厂变电所电气接线和布置[M].北京：水利电力出版社，1984.

[4]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用第二版[M].北京：中国电力出版社，2012.

[5]GB14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[6]GB/T7064-2008，隐极同步电机技术要求[S].

[7]IEC60034-1-2004，Rotating electrical machines Part 1:Rating and performance[S].

[8]grounding and ground fault protection of multiple generator installations on medium-voltage in⁃dustrial and commercial power systems.Prafulla Pillai(Chair),Alan Pierce,Bruce Bailey,Bruce Douglas,Charles Mozina,Clifford Normand,Daniel Love,David Shipp,Gerald Dalke,James R. Jones,Jay Fischer,Jim Bowen,Lorraine Padden,Louie Powell,Neil Nichols,Ralph Young,Norman T.Stringer.

Study on Neutral Grounding Mode Using on Waste Heat Power Station in Cement Plant

TQ172.622.22

A

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