水泥厂余热电站发电机中性点接地方式的研究

李大庆

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的单相接地造成的，是发电机最常见的一种故障。发电机定子绕组发生单相接地故障时，接地点流过的电流是发电机本身及其引出回路所连接元件对地电容电流。当该电流超过允许值时，将烧伤定子铁芯，进而损坏定子绝缘，引起匝间或相间短路，此时需要在发电机中性点采取经消弧线圈或高电阻接地的措施，以保护发电机免遭损坏。

由于水泥厂余热电站与水泥生产线配电网并网运行，电站发电机接地方式要与水泥厂配电网保持匹配，余热电站继电保护要与水泥生产线配电网继电保护配合运行。

国内水泥生产线余热电站发电机装机功率大都≤125MW，依据规范及水泥生产线配电网中性点接地方式的要求，应采用发电机中性点不接地（即经避雷器接地）或经消弧线圈接地方式。定子单相接地故障不会产生大的故障电流，定子绕组单相接地保护通常只发信号而不跳机，在定子单相接地保护动作发信号后，运行人员应减小机组负荷，尽快实现停机检修。

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，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。当发电机单相接地电流＜5A时，允许单相接地发电机继续运行2h，以便值班人员采取适当措施；当发电机单相接地电流＞5A时，单相接地故障的发电机的继电保护装置将跳闸。

上世纪70年代初，捷克动力研究院通过试验证明，单相接地电流持续2A是安全的，此外，考虑一定余度，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，铁芯仅是轻微损伤，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。

上世纪80年代初，我国河南电力科学试验研究所进行定子铁芯在电容电流作用下的烧伤试验，确定了发电机单相接地故障电容电流最高允许值。

3 水泥厂余热电站发电机中性点接地方式

余热电站发电机中性点接地方式分为不接地（即经避雷器接地）和经消弧线圈接地两种。

3.1 中性点经避雷器接地

发电机额定电压为6.3kV及以上的系统，当发电机内部发生单相接地故障、不要求瞬时切机时，采用中性点不接地方式的发电机单相接地故障电容电流最高允许值应按表1确定。中性点经避雷器接地方式特点如下：

（1）适用于容量≤125MW的中小机组，且单相接地电流应不超过允许值。

（2）发电机中性点装设电压为额定相电压的避雷器，避雷器正常运行时对地绝缘，相当于不接地；中性点电压超过允许值，避雷器间隙导通，避免过电压，防止发电机绝缘击穿。

（3）国内余热发电项目发电机中性点接地方式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设备，设置定子接地保护定值。

表1 发电机单相接地故障电容电流最高允许值

3.2 中性点经消弧线圈（谐振）接地

当单相接地电容电流值大于表1允许值时，应采用中性点谐振接地方式，消弧装置可装在厂用变压器中性点上或发电机中性点上。

（1）中性点经消弧线圈接地方式作用是：利用其产生一个电感电流，电感电流与接地点的电容电流的方向相反，可将电容电流抵消，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）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。

（4）若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的方式，增加余热电站发电机后单相接地电容电流值超过国家标准的允许值，则选择余热电站发电机中性点经消弧线圈接地方式。消弧线圈容量的选择需要依据整个电网的系统参数而确定。

（5）我国和苏联大容量的水轮和汽轮发电机以及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。消弧线圈（谐振）接地方式已成为与高电阻接地方式相匹敌的另一大分支。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，发电机中性点谐振接地方式具有限制暂态过电压等优点。

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，但仍存在以下不利因素：参数选择须考虑因素较多；潜在的过电压危险；保护配置比较复杂，需要增设高压侧零序制动电压，以防止保护误动作。

4 发电机中性点经消弧线圈接地方式计算

发生单相接地故障时，接地点流过的电流是发电机本身及其引出回路所连接元件对地电容电流。电容电流的计算应考虑电网5～10年的发展。发电机发生单相接地故障示意图见图1。

4.1 配电网电容电流

配电网的电容电流应包括电气连接的所有架空线路、电缆线路的电容电流，并计及余热电站母线和电器的影响。该电容电流应取最大运行方式下的电流。

图1 发电机发生单相接地故障示意图

（1）架空线路的电容电流

式中：

L——线路的长度，km

Ic——架空线路的电容电流，A

2.7——系数，适用于无架空地线的线路

3.3——系数，适用于有架空地线的线路

同杆双回路电容电流为单回路的1.3～1.6倍。

（2）电缆线路的电容电流

（3）当发电厂引出线接至变电站，由变电站增加的单相接地电容电流值可按表2估算。

表2 变电站增加的电容电流

4.2 发电机定子线圈单相接地电容电流

发电机电压回路的电容电流应包括发电机、变压器和连接导体的电容电流，当回路装有直配线和电容器时，应考虑这部分电容电流。

汽轮发电机定子线圈单相接地电容电流数值，应由制造部门提供。当资料缺乏时，可参考式（3）、式（4）计算获得。

式中：

Cof——发电机定子线圈的电容，F

K——与绝缘材料有关的系数。当发电机温度为15～20℃时，K=0.018 7

Sef——发电机视在功率，MVA

ω——角速度，ω =2πf。f为频率，Hz

式中：

Ic——发电机定子线圈的电容电流，A

Uef——发电机额定线电压，kV

4.3 消弧线圈补偿容量

式中：

Q——补偿容量，kVA

K——系数，过补偿取1.35，欠补偿按脱谐度确定

Ic——电网或发电机回路的电容电流，A

UN——电网或发电机回路的额定线电压，kV

为了便于运行调谐，宜选用容量接近于计算值的消弧线圈。

4.4 中性点位移及脱谐度

装在电网变压器中性点的消弧线圈以及具有直配线的发电机中性点消弧线圈应采用过补偿方式。在正常情况下，长时间中性点位移电压不应超过额定相电压的10%，防止运行方式改变时电容电流减小，使消弧线圈处于谐振点运行。正常情况下脱谐度一般≯10%。

中性点经消弧线圈接地的单元连接发电机，在正常情况下，长时间中性点位移电压不应超过额定相电压的10%。考虑到限制电容耦合传递过电压以及频率变动等对发电机中性点位移电压的影响，一般采用欠补偿方式，脱谐度一般≯±30%。消弧线圈分接头应满足脱谐度的要求。

中性点位移电压可按式（6）计算：

式中：

U0——中性点位移电压，kV

Ubd——消弧线圈投入前发电机回路中性点不对称电压，可取0.8%的相电压

d——阻尼率，一般对于60～110kV架空线路取3%，35kV及以下架空线路取5%，电缆线路取2%～4%

脱谐度可按式（7）计算：

式中：

ν——脱谐度

Ic——发电机回路的电容电流，A

IL——消弧线圈电感电流，A

5 示例

5.1 电容电流的计算

某余热电站发电机容量为12MW，功率因数0.8，发电机出线电压10.5kV,电缆总长度为2km（实际应用中考虑发电机10kV电缆出线，及所连接至水泥厂10kV母线上的所有出线电缆），并连接至水泥厂总降压变电站，为此选择发电机中性点接地方式，电容电流计算如下：

依据式（2），电缆提供的电容电流：

依据式（3）、（4），发电机电容电流：

余热电站的总电容电流为：

可以使用中性点经避雷器接地方式。

5.2 消弧线圈补偿容量的选择

若电容电流＞3A，假设电容电流为5A，选择中性点消弧线圈接地方式。

5.2.1 消弧线圈补偿容量首先满足中性点电压位移的要求

根据式（6），可知：

脱谐度的取值范围在本文4.4要求的范围内，从而有：

IL＜4.63A或者IL≥5.37A

5.2.2 脱谐度的要求

5.2.3 采用过补偿方式，依据式（5）有：

消弧线圈容量取值：Q=45kVA。

6 结语

国内水泥工厂余热电站发电机一般直接与6～10kV电网连接，发电机单相接地为中性点不接地（即经避雷器接地）和经消弧线圈接地两种中性点接地方式。

单相接地电流不超过表2数值时，采用中性点避雷器接地方式。单相故障电流超过表2数值时，发电机中性点应通过消弧线圈接地，消弧装置可装在厂用变压器中性点上或发电机中性点上。

配电网的电容电流、发电机电压回路的电容电流和消弧线圈容量需经计算确定。水泥厂配电网多为电缆配电线路，按照电缆线路电容电流计算；发电机电容电流由供货商提供；余热电站发电机多属于直配线的发电机，中性点消弧线圈应采用过补偿方式。计算方法参考上节“5示例”中算法。