全連型離相封閉母線單點(diǎn)接地方式研究

陳 平 鄒 杰 魏華棟 馮寶玥

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南250013）

0 引言

發(fā)電機(jī)出口大電流母線的周圍存在著強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，故位于其中的鋼鐵等磁性材料會(huì)由于渦流損耗而發(fā)熱。為解決上述問題，文獻(xiàn)［1］要求，容量在100MW及以上的發(fā)電機(jī)引出線采用全連型離相封閉母線，母線外殼的屏蔽作用能改善鋼構(gòu)發(fā)熱情況。全連型離相封閉母線以母線導(dǎo)體為一次側(cè)，母線外殼為二次側(cè)，類似一臺(tái)1∶1的空氣芯變壓器，當(dāng)導(dǎo)體通電時(shí)，外殼中會(huì)流過很大的環(huán)流，這個(gè)巨大的環(huán)流通過它本身產(chǎn)生與導(dǎo)體內(nèi)部相反的磁場(chǎng)，因而具有去磁作用，實(shí)現(xiàn)了屏蔽功能，減輕了周圍鋼構(gòu)的發(fā)熱現(xiàn)象。

但全連型離相封閉母線不同的外殼接地方式會(huì)影響環(huán)流分布，從而影響感應(yīng)電壓大小，進(jìn)而導(dǎo)致一定的安全問題。為解決這個(gè)問題，國內(nèi)火電工程一般采用多點(diǎn)接地方式。近年來，涉外工程不斷增加，外方一般要求全連型離相封閉母線采用單點(diǎn)接地方式。關(guān)于此接地方式的研究較少，故本文對(duì)全連型離相封閉母線單點(diǎn)接地方式從環(huán)流損耗與感應(yīng)電壓兩方面進(jìn)行較為全面的計(jì)算分析，是非常有意義的。

1 計(jì)算公式模型

1.1 外殼阻抗計(jì)算公式

對(duì)全連型離相封閉母線，外殼損耗由環(huán)流損耗和渦流損耗組成。對(duì)不設(shè)限流電抗器的全連型外殼，渦流損耗很小，可忽略不計(jì)，只計(jì)算外殼的環(huán)流損耗［2－3］。

一般來說，單位長(zhǎng)度外殼的阻抗值可表示為：

其中，R為外殼運(yùn)行平均溫度tK時(shí)單位長(zhǎng)度的直流電阻（Ω／m），計(jì)算公式見式（2）；X 為外殼單位長(zhǎng)度的電抗（Ω／m）。對(duì)全連型離相封閉母線而言，電抗值X由外殼自感Ls（H／m）、外殼與導(dǎo)體互感Lm（H／m）以及外殼間互感Lg（H／m）組成。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略外殼間互感（因?yàn)橥鈿らg互感由于相間導(dǎo)體與外殼的抵消作用可忽略不計(jì)），可得X計(jì)算公式（3）。文獻(xiàn)［4］提供了Ls、Lm的具體計(jì)算公式，見式（4）、（5）。

式中，ρ20為溫度在20℃時(shí)導(dǎo)體材料的電阻率（Ω·mm2／m），鋁導(dǎo)體ρ20＝0.029 5Ω·mm2／m；α為導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)（1／℃），對(duì)鋁材料而言，α＝0.004；tK為母線外殼計(jì)算運(yùn)行平均溫度（℃）；FK為外殼橫截面積（m2）。

式中，ω為頻率（r／s）。

式中，h為外殼對(duì)地高度（m）；Rf為外殼半徑（m）；Rd為三相導(dǎo)線幾何均距（m）。

1.2 環(huán)流損耗計(jì)算公式

環(huán)流損耗包括有功損耗與無功損耗兩部分，實(shí)際運(yùn)行中，主要關(guān)注有功損耗經(jīng)濟(jì)性，故本文只對(duì)有功損耗進(jìn)行計(jì)算，見式（6）：

式中，W 為每相母線外殼中單位長(zhǎng)度環(huán)流有功損耗（W）；I為母線外殼中環(huán)流大小（A），當(dāng)母線總長(zhǎng)L≤20m時(shí)，I＝0.95Im，L≥20m時(shí)，I＝Im（Im為母線導(dǎo)體電流）；Kf為外殼集膚效應(yīng)系數(shù)。

Kf可用式（7）計(jì)算：

1.3 感應(yīng)電壓計(jì)算公式

外殼總壓降由電阻性壓降與電抗性壓降兩部分組成，見式（8）：

式中，Ue為單位長(zhǎng)度母線外殼感應(yīng)電壓（kV）。

2 工程計(jì)算實(shí)例

下面以某300MW容量機(jī)組為例，頻率50Hz，發(fā)電機(jī)出口電壓20kV，出口電流Im＝10 189A，選用全連型離相封閉母線單點(diǎn)接地方式，鋁外殼半徑Rf＝1.05m，外殼厚度δK＝0.008m，三相導(dǎo)線間距Rd＝1.4m，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略廠用電負(fù)荷，假設(shè)發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電且出口電流與主變低壓側(cè)間電流相等，封閉母線長(zhǎng)40m，tK＝62.1℃，h＝1m。

單點(diǎn)接地全連封母只在一側(cè)短路板處設(shè)置接地點(diǎn)，接地線電阻忽略不計(jì)，可得外殼簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)接地阻抗模型圖

每相單位長(zhǎng)度的功率損耗由式（6）計(jì)算：

W＝10 1892×1.315 6×10－6×1.008 4＝137.727W／m

可得單相封母環(huán)流功率損耗為5.51kW，則三相封母總環(huán)流損耗可近似計(jì)算得16.53kW。

由式（8）可計(jì)算出正常工作情況下單位長(zhǎng)度外殼感應(yīng)電壓｜Ue｜＝0.013 4V，總長(zhǎng)度內(nèi)外殼感應(yīng)電壓為0.537V。

此電壓滿足人身安全要求。但如果外殼長(zhǎng)度增加，則外殼感應(yīng)電壓會(huì)增大，有可能超過人身安全要求，需要謹(jǐn)慎選擇這種接地方式。當(dāng)發(fā)生故障，比如三相短路時(shí)，短路電流一般是正常電流的10～30倍，則此時(shí)外殼感應(yīng)電壓會(huì)升高，有可能會(huì)超過DL／T5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第7.4.5條“當(dāng)母線通過短路電流時(shí)，外殼的感應(yīng)電壓應(yīng)不超過24V”的要求。

綜上所述，該工程母線外殼有一定功率損耗，從安全性角度而言，感應(yīng)電壓計(jì)算值低于安全值，可采用單點(diǎn)接地方式。

3 結(jié)語

本文針對(duì)涉外工程中要求的全連型離相封閉母線外殼單點(diǎn)接地方式中存在的環(huán)流損耗及感應(yīng)電壓?jiǎn)栴}，給出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)建模及計(jì)算過程。通過工程實(shí)例計(jì)算可以看出，從經(jīng)濟(jì)性角度而言，外殼環(huán)流引起部分功率損耗，此損耗在計(jì)算廠用電率時(shí)應(yīng)考慮在內(nèi)；從安全性角度而言，需要計(jì)算感應(yīng)電壓，如果計(jì)算值低于安全值，則可采用單點(diǎn)接地方式，反之，可建議業(yè)主采用多點(diǎn)接地方式。

［1］GB50660—2011 大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］單淵達(dá).電能系統(tǒng)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

［3］馮慈璋，馬西奎.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2000

［4］張亞婷，高博，賈磊，等.800kV分體結(jié)構(gòu)GIS母線外殼環(huán)流特性的研究［J］.電瓷避雷器，2008（6）