水泥廠余熱電站發電機中性點接地方式的研究

李大慶，田雷

水泥廠余熱電站發電機中性點接地方式的研究

李大慶，田雷

水泥廠余熱電站發電機需要與水泥生產線現有電網并網運行，余熱電站發電機中性點接地方式需要與水泥生產線現有電網接地方式匹配。參考國內外發電機接地故障電流允許值要求，本文對發電機中性點主要接地方式進行分析對比，就各自優缺點進行討論，為水泥生產線余熱電站發電機中性點接地方式的選擇提供參考。

發電機；中性點；接地方式；余熱電站

1　前言

水泥廠余熱電站發電機定子繞組的單相接地，是由于定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞或者發電機出口電纜的單相接地造成的，是發電機最常見的一種故障。

由于水泥廠余熱電站發電機需要與水泥生產線原有配電網并網運行，所以發電機接地方式要與水泥生產線原有電網保持一致。

國內水泥生產線余熱電站發電機中性點主要的接地方式是不接地和經消弧線圈接地，定子單相接地故障并不會產生大的故障電流，所以定子繞組單相接地保護通常只發信號而不跳閘，在定子單相接地保護動作發出信號后，運行人員應減小機組負荷，盡快實現停機檢修。

國外項目發電機中性點接地方式多樣，存在中性點經小電阻接地的方式，定子單相接地故障時通過小電阻將故障電流控制在幾百安培（一般是200～600A）。故障電流選擇需考慮最小化故障，減小設備損壞，同時，繼電保護裝置得到有效電流信號，可以選擇性跳閘。

2　國內外對發電機定子單相接地電流允許值的研究

早在1933年，前蘇聯電站部技術司曾規定發電機單相接地電流允許值為5A。＜5A時，允許發電機單相接地時繼續運行2h，以便值班人員采取適當措施；＞5A時，單相接地故障的發電機將保護跳閘。

上世紀70年代初，捷克動力研究院通過試驗研究證明，單相接地電流持續2A是安全的，考慮一定裕度，規定單相接地電流允許值為1.0～1.5A。

瑞士BBC曾認為接地電流20～40A，持續2s時，鐵芯僅輕微損傷，發電機發生定子接地故障后要進行檢修，上述輕微損傷是可以接受的。

有的國家甚至將發電機中性點經附加電阻接地，使接地故障電流達到100A，相應的定子接地保護不僅沒有死區，而且還能區分接地故障發生在發電機內部或外部，這對于共母線的中小型發電機的定子接地保護是必要的，但也不是唯一的或是最好的方案。所以增大接地故障電流的保護方案必須使故障發電機立即跳閘。

上世紀80年代初，我國河南電力科學試驗研究所進行了定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗。試驗得出了在不同額定電壓及容量下發電機定子發生單相接地故障時允許的接地電流值。

單相接地安全電流值見表1。

當單相接地電流小于上述安全電流時，定子接地保護動作后可考慮只發信號而不跳閘，但應及時處理轉移負荷，平穩停機以免另一點再發生接地故障而燒毀發電機。

因此，限制單相接地電流在安全值范圍內，是保證發電機安全的一個重要條件。

3　發電機中性點接地方式

發電機單相接地故障會灼傷鐵芯，因為不同電壓等級的發電機其電容電流形成電弧的大小不同，而且電壓越高，形成電弧的電流越小，所以電壓越高定子接地保護的啟動值也越小。如果進一步發展，首先是鐵芯灼傷后會造成磁場分布不均，定子繞組局部溫度高，后果必然是相間短路損壞發電機。不同的中性點接地方式對應著不同的單相接地故障的處理方式（圖1）。

3.1中性點經低阻抗接地

（1）定子單項接地故障時通過小電阻將故障電流限制在幾百安培（一般是200～600A）。故障電流選擇需考慮最小化故障，減小設備損壞，同時，繼電保護裝置得到有效電流信號，可以選擇性跳閘。

（2）故障電流的下限選擇根據保護裝置的靈敏性，故障電流的上限選擇基于接地期間電站的損失和對電纜屏蔽的損害。

（3）對多電源系統，總的接地故障電流會非常高。中性點低電阻接地對于連接的公共母線上的發電機是常用的接地方式，饋電保護要有選擇性。當發電機和星形接線的變壓器并列連接到母線上、發電機退出運行時，允許變壓器中性點接地。

3.2中性點不接地

適用于125MW及以下的中小機組，且單相接地電流應不超過允許值。此時，發電機中性點應裝設電壓為額定相電壓的避雷器，防止三相進波在中性點反射引起過電壓；在出線端應裝設電容器和避雷器，以削弱當有發電機電壓架空直配線時進入發電機的沖擊波陡度和幅值。

發電機單相接地電流允許值以河南電力科學試驗研究所進行的定子鐵芯在電容電流作用下的燒傷試驗為基礎。

3.3中性點經高電阻（發電機中性點接地電阻柜）接地

（1）適用于200MW及以上的大機組。

（2）中性點經高電阻接地后，可達到：限制過電壓≯2.6倍額定相電壓；限制接地故障電流≯10～15A；為定子接地保護提供電源，便于檢測。

（3）為減小電阻值，一般經配電變壓器接入中性點，電阻接在配電變壓器的二次側。部分機組也有不經過配電變壓器而直接接入數百歐姆的高電阻。

（4）發生單相接地時，總的故障電流不宜＜3A，以保證接地保護不帶時限，立即跳閘停機。

3.4中性點經消弧線圈（諧振）接地

（1）適用于單相接地電流大于允許值的中小機組，或200MW及以上要求能帶單相接地故障運行時的大機組。

（2）對具有直配線的發電機，宜采用過補償的方式；對單元接線的發電機，宜采用欠補償方式。經補償后的單相接地電流一般＜1A，因此，可不跳閘停機，僅作用于信號。

（3）消弧線圈可接在直配線發電機的中性點上，也可接在廠用變壓器的中性點上，當發電機為單元連接時，則應接在發電機中性點上。

表1　單相接地安全電流值

圖1　發電機發生單相接地故障示意圖

4　發電機各中性點接地方式優缺點

4.1中性點經低阻抗接地

（1）巨大的有效故障電流保證了母線和出線斷路器繼電保護的靈敏性和選擇性。

（2）限制暫態過電壓到一個中等的值，相對其他接地方式潛在花費少。

（3）高電流接地故障時，發電機定子鐵芯疊片可能會嚴重發熱。

（4）多電源并列的多點接地系統，大電流可能導致嚴重的損壞，故障電流大的變化可能會導致繼電保護的配合問題。應適當考慮中性點通過避雷器的接地方式。

蘇丹某項目水泥生產線原配電系統接地方式為中性點經小電阻接地。余熱電站發電機中性點接地方式為經小電阻接地，限制接地電流為50A。繼電保護主保護設置為12A，0s跳閘，并設置后備保護3A，1s跳閘。

4.2中性點不接地

（1）由于發電機的中性點不接地運行，當定子繞組發生單相接地時，流過故障點的電流僅為很小的電容電流，有效地限制了接地電流的破壞作用。到目前為止，我國、前蘇聯及一些其他國家的電容電流較小的發電機，中性點仍采用這種不接地方式。

（2）隨著機組容量的增大和運行電壓的升高，當電容電流接近或達到某一臨界值時，接地電弧不能自行熄滅，電弧接地過電壓又會產生新的危害。隨著機組容量的增大，鐵芯燒損后果嚴重，允許的接地故障電流日趨減少。所以這種不接地方式的應用，受到接地電容電流的限制。

國內余熱發電項目發電機中性點多數為經避雷器接地。繼電保護設置，根據不同繼電保護廠家的設備設置定子接地保護定值：或者為一點接地報警，兩點接地跳閘；或者為一點接地設置2個定值，分別實現報警和跳閘。

4.3中性點經高電阻（發電機中性點接地電阻柜）接地

（1）對于300MVA及以上的大容量發電機組，目前世界各國普遍采用的是中性點經高電阻或中性點經消弧線圈接地方式。采用中性點經高電阻接地方式，其主要目的是限制接地電弧重燃及中性點出現的積累性電壓升高，從而降低電弧接地過電壓。目前對于水泥廠余熱發電機組使用較少。

（2）發電機中性點經高電阻接地方式有許多方案，其中以單相配電變壓器電阻的方案為最優。配電變壓器二次側所接的電阻為一消能元件，可增大零序回路阻尼，抑制暫態過電壓。但因此也增大了接地電流，這就要求當發電機定子繞組發生單相接地故障時能迅速切除機組。

（3）由于此種裝置簡單且易于配置，故得到廣泛的應用。在西方歐美國家已經形成一種使用慣例，在國內許多大型汽輪發電機組和水輪發電機也都采用配電變壓器的接地方式。

（4）這種接地方式的缺點是無法減小接地電容電流，只能增大接地故障電流。因此對于大電容電流發電機，接地故障電流數倍乃至十數倍地超過發電機的安全接地電流，暫態接地電流更大，使短時間跳開故障的發電機鐵芯迭片的熔化焊接現象也很難避免，難以適用這種接地方式。

4.4中性點經消弧線圈（諧振）接地

（1）中性點經消弧線圈接地方式的作用是：利用其產生一個電感電流，與接地點的電容電流的方向正好相反，將電容電流抵消，以消除產生電弧的條件，將接地故障電流保持在較低的水平。

（2）世界上第一臺消弧線圈（諧振）接地方式，于1917年在德國Pleidelsheim電廠發電機的中性點投入運行。隨著理論和實踐的不斷充實，諧振接地逐漸在世界各地得到了廣泛的應用。我國和前蘇聯大容量的水輪和汽輪發電機、歐洲的部分發電機和美國新英格蘭電力系統中的所有發電機，中性點全部經消弧線圈接地運行，長期以來效果良好。諧振接地方式已經成為足以與高電阻接地方式匹敵的另一大分支。美國AIEE旋轉電機專業委員會曾經在《同步發電機系統接地方式應用指南》中，明確指出了發電機中性點諧振接地方式具有限制暫態過電壓等優點。

（3）盡管消弧線圈的接地方式在國內大電容電流發電機上得到了一定的應用，但是消弧線圈的接地方式還存在以下不利因素：

a參數選擇須考慮的因素較多。如果沒有經過全面的分析計算，選定的參數不合適，將會使發電機三相對地電壓長期有較大偏移，甩負荷時電壓偏移更大。

b潛在的過電壓危險。研究表明，當故障點發生在電網側時，零序電壓經耦合電容傳遞到發電機側，若采用過補償方式，傳遞過電壓可能趨向無窮大，將威脅發電機安全。而采用完全補償方式，又會出現人們所擔心的諧振過電壓。因此，理論上經消弧線圈接地方式應該是欠補償方式。然而在實際應用中過補償方式卻運用最多。另外，在發電機組啟、停及甩負荷等過程中，如果再出現接地或二次重燃，將會有較大的暫態過電壓。準確分析暫態過電壓的大小，是十分困難的。國內外都只是通過仿真進行模擬估算，在消弧線圈內阻較小，脫諧度很小時，間歇電弧會產生危險的過電壓。

c保護配置比較復雜，需要增設高壓側零序制動電壓，以防止保護誤動。

國內水泥生產線原有配電系統中性點接地方式為經消弧線圈接地，增加發電機后單相接地電容電流值超過國標中的允許值，選擇余熱電站發電機中性點經消弧線圈接地方式，消弧線圈容量選擇需要依據整個電網的系統參數。

5　結論

上文分析了各種接地方式的優缺點，由此，我們可以得到如下結論：

（1）國內外電網的發展水平相差較大，水泥廠余熱電站發電機中性點的接地方式要依據當地國家的情況具體考慮。

（2）水泥生產線余熱電站項目大多是在水泥生產線原有配電系統中增加發電機，并與原有配電網并列運行。

余熱電站發電機的中性點接地方式要根據原有電網中性點接地方式，綜合考慮系統的穩定性、可靠性，在保證繼電保護合理配置的前提下進行。

（3）水泥廠配電網采用小電阻、消弧線圈接地方式，或者不清楚現有電力系統接地方式。

在對現有系統接地方式不產生影響的情況下，我們可以考慮選擇中性點經避雷器接地的方式，優點如下：

a不影響原有系統接地方式，對現有系統影響小。

b根據配電網需要，單相接地故障需要發電機跳閘停機，可以通過繼電保護裝置設置。

c將來若要改變中性點的接地方式，也很容易實施。

[1]弋東方.電力工程電氣設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2]中國電力企業聯合會主編.小型火力發電廠設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2011.

[3]西北電力設計院主編.發電廠變電所電氣接線和布置[M].北京：水利電力出版社，1984.

[4]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用第二版[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5]GB14285-2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[6]GB/T7064-2008，隱極同步電機技術要求[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

1001-6171（2016）05-0072-04

通訊地址：中材節能股份有限公司，天津300400；2016-06-22；編輯：趙星環