高压柴油发电机中性点高电阻接地方式分析

黄 伟 玲

(上海城市空间建筑设计有限公司, 上海 200092)

0 引 言

随着我国建筑业的飞速发展,超大体量的建筑迅猛增长,这类建筑中的一级负荷和消防负荷的容量也非常大。

高压柴油发电机作为独立运行且不受外部电网影响的应急电源,因其具有供电半径大、容量大和可靠性高等优点,在超大体量的建筑设计中得到了广泛的应用。

高压柴油发电机的中性点接地与低压柴油发电机不同。低压柴油发电机一般与正常电源一致,中性点直接接地。高压柴油发电机的中性点接地方式的选择是一个复杂的综合性问题,它涉及供电的安全性、可靠性、连续性、系统过电压水平、设备绝缘水平、继电保护和投资等。因此,高压柴油发电机的中性点接地方式是保证系统可靠运行的重要前提,值得深入研究。

1 中性点接地方式

高压接地方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻(高电阻或低电阻)接地[1]。

根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》,发电机的接地方式主要依据单相接地故障电容电流来选择。在主要由电缆线路构成的6～35 kV送配电系统中,当单相接地故障电容电流较大(100～1 000 A)时,可采用低电阻接地方式,以便快速切除故障;在6 kV和10 kV配电系统中,当单相接地故障电容电流不大于7 A且单相接地故障电流小于10 A时,可以采用高电阻接地的方式[2]。通过高电阻接地的方式可以消除大部分谐振过电压,并且能将非故障相的过电压限制在相电压的2.6倍以内[3-4],从而确保系统在接地故障条件下还能持续运行,不会中断供电。

柴油发电机组供电系统作为应急电源工作时,通常要求其具有非常高的供电可靠性。但相对于公用电网来说,柴油发电机组供电系统的规模较小,单相接地电容电流一般不大于10 A。因此,高压柴油发电机组一般应选择高电阻接地方式,其接地电阻阻值一般为几百至几千欧姆。

对于多台高压柴油发电机组并机供电的情况,中性点接地电阻的设置主要包括以下两种方式:

(1) 每台机组配置1台接地电阻柜。每台发电机组配置1台真空接触器和1台中性线接地电阻柜。这种方式的优点是系统运行和检修方便,而且机组之间不会因为电压差而形成环流。

(2) 多台机组共用1台接地电阻柜。并机运行中的多台发电机组共用1台接地电阻柜,所有运行机组的中性点通过真空接触器连接到接地电阻柜,当1台机组停机时,对应的接触器断开。这种方案的运行和操作比较复杂,由于机组共用接地,当机组之间的特性不一致时,可能会产生环流,一般需要配置环流控制器。

2 高电阻接地方式的计算与分析

2.1 容易混淆的概念

要对高电阻接地方式进行计算与分析,首先要弄清楚几个概念。

2.1.1 单相接地电容电流和正常运行一相对地电容电流

由于相对地之间存在着电容,三相电缆线路在正常运行时会存在电容电流。由于系统三相电压对称,各相对地的电容电流都比其自身的电压超前90°,而且各自的电容电流大小相同,因此,流过中性点的总电流为0 V。正常工作时的向量图如图1所示。

图1 正常工作时的向量图

图2 单相接地时的向量图

2.1.2 三相对地容抗和每相对地容抗

(1)

2.2 单相接地电容电流

系统的对地分布电容与电网的构造、电压等级、线路长度、制造工艺有关,可以从设备制造商处获得相关的数据,并将各电容值相加,进而得到Xc0和Xcg。

Ic可如式(2)所示:

(2)

式中:Un——系统标称线电压。

单相接地电容电流由电力线路和电气设备两部分的电容电流组成。

10 kV电缆线路的单相接地电容电流可以按照如式(3)所示经验公式[4]进行计算。

(3)

式中:Ici——电力线路单相接地电容电流;

S——线路导体截面;

l——线路长度。

可得整个系统的单相接地电容电流Ic为

(4)

式中:IcG——变电所电气设备的电容电流;

IcT——发电机电气设备的电容电流。

根据Ic的范围选择正确的接地方式。如果Ic小于7 A,系统可以采用高电阻接地的方式。

2.3 中性点接地电阻

中性点高电阻接地可以限制弧光接地过电压的原因在于:在接地电弧熄弧后,系统对地电容中的残余电荷能通过中性点电阻泄放,从而抑制了电弧的重燃。

电网中,绝缘最薄弱的中压电机的耐受电压为1.5倍的线电压,即2.6倍相电压[3-4]。当系统的过电压倍数在2.6以下时,能满足要求。

文献[5]中关于中性点接地电阻Rn的计算如式(5)所示:

(5)

式中:K——单相接地短路时电阻电流与电容电流的比值,一般为1.1。

K与Xcg/Rn的关系如图3所示。由图3可知,当Xcg/Rn≥1时,K在2.6倍以下。如果Xcg/Rn的比值继续增大,其对K的限制作用已不再明显。因此,可以计算出中性点接地电阻为

(6)

图3 K与Xcg/Rn的关系

该方法能保证系统的过电压限制在一个安全的水平。

两者计算结果一致。

2.4 常见的计算错误

(1) 根据接地故障电流反算接地电阻电流。

由图2可知,当发生接地故障时,故障点的故障电流Id是中性点电阻电流IR和Ic的矢量和,IR滞后于接地电容电流90°,即:

(7)

在高电阻接地系统中,必须限制单相接地故障电流在一定的值以下,这是系统带故障运行的前提。因此,有些电气设计师直接选定Id=10 A,则IR为

(8)

只要弄清楚三相对地容抗和每相对地容抗的关系,或者画出单相接地的等效电路,就能得出IR/Ic≥1。单相接地等效电路如图4所示。

图4 单相接地等效电路

以上两种错误的计算会导致所选接地电阻电流过大,这样不但增加了电阻器的容量,而且加大了人身接触的危险性。

3 工程实例

某新城大型地下空间总建筑面积约300 000 m2。根据负荷分布及供电半径要求,在地下一层设置9座变电所,应急电源采用高压柴油发电机方案,在地下空间一层集中设置一座10 kV高压柴油发电机房。高压柴油发电机房至各变电所采用3×95高压电缆,线路单相接地电容电流总和为3.5 A,其中电容电流最大的一个回路为0.584 A。考虑到变配电设备的附加影响,总的单相接地电容电流为4.1 A。

中性点接地电阻为

中性点电阻电流为

单相接地故障电流为

按照零序电流保护必须要能躲过电路正常运行时的电容电流要求,校验零序保护的灵敏度[5],动作电流Iact和灵敏度Ksen的计算方法如下:

(9)

由于单条回路电容电流很小,可靠系数可选取5,取电容电流最大的一个回路,Iact=2.92 A,Ksen≥2,以上参数均满足设计规范要求。

4 结 语

作为一种应急备用电源,高压柴油发电机正在越来越多地应用于建筑工程中。本文以工程实例详细介绍了正确的接地电阻计算方法,该方法能保证高压柴油发电机运行的高可靠性。