（船舶与海洋工程专业论文）发电机中性点接地方式研究.pdf

摘要 通过各种接地方式的分析，介绍了发电机中性点接地的概念，了解了各种 接地方式的主要优缺点。针对大中型发电机的两种主要接地方式进行了分析， 并列举海洋油田电力系统中型电站的低阻接地设计实例，进行了接地故障电流 保护的计算推导。从而为海洋石油工程设计人员提供了有益的参考和比较。 由于暂态过电压、接地故障电流等都直接与发电机接地方式有关，同时还 影响或决定着发电机的保护形式，所以接地方式的选择在理论和实践上都是一 个复杂的问题。 在现有陆地大中型发电机中性点接地选择上，主要有消弧线圈接地方式和 接地变高阻接地方式。而海洋油、气平台随着规模的不断增大，正在逐步引入 发电机接地运行方式，并已成功采用了低阻接地。经分析比较认为，大中型汽 轮发电机组宜采用中性点接地，并在陆地电站广泛使用，但海洋平台选用何种 接地方式，给出明确的结论尚需理论和实践的进一步深入。 关键词：发电机中性点接地消弧线圈接地高阻接地低阻接地 海洋油气平台 a b s t r a c t t h r o u g ha n a l y z i n go fs e v e r a lt y p e so fg e n e r a t o rn e u t r a lg r o u n d i n g ，i n t r o d u c e st h e c o n c e p ta n dk n o w sa l la d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e a n a l y s i st w om a i ng r o u n d i n g w a y sa i m sa tl a r g ea n dm e d i u mg e n e r a t o r s ，p r e s e n t i n gl o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n g s a m p l eo fm i d d l ep o w e rp l a n to fo f f s h o r eo i lp o w e rs y s t e m ，a n dd o i n gc a l c u l a t i o n d e d u c t i o na b o u tc u r r e n tp r o t e c t i o no fg r o u n d i n gf a u l t i tp r o v i d e su s e f u lr e f e r e n c ea n d c o m p a r i s o nf u ra l le n g i n e e r sw h ow o r kf o r t h eo f f s h o r eo i lf i e l d b e c a u s eo fb o t ht r a n s i e n t v o l t a g e s a n dg r o u n d i n gf a u l tc u r r e n t sa l eb a s e do n g r o u n d i n gw a yo fg e n e r a t o r s ，w h i c ha f f e c t sa n dd e t e r m i n e st h eg e n e r a t o rp r o t e c t i o n f o r m ，t h ec h o i c eo f g r o u n d i n gw a yi sq u i t ec o m p l e xi nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e f o rt h es e l e c t i o no fo n s h o r el a r g ea n dm i d d l eg e n e r a t o rn e u t r a lg r o u n d i n g ，t h e r ea r e t w og r o u n d i n gw a y s ：p e t e r s o nc o i la n dh i g hr e s i s t a n c e t h eo f f s h o r eo i la n dg a s p l a t f o r mb e g i n s t on s e g e n e r a t o rg r o u n d i n g a n dh a v e a d o p t e d l o wr e s i s t a n c e g r o u n d i n gs u c c e s s f u l l y , s i n c eo f f s h o r eo i la n dg a sf i e l d i sb i g g e ra n db i g g e r b y a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h en e u t r a lg r o u n d i n gi ss u i t a b l ef o rl a r g ea n dm e d i u m s t e a mt u r b i n ed r i v e ng e n e r a t o ra n du s e dp o p u l a r l yi no n s h o r ep o w e rp l a n t g e t t i n ga c l e a ra n s w e rt oc h o o s eag e n e r a t o rg r o u n d i n gf o r m w h i c hi ss u i t a b l ef o ro f f s h o r eo i i p l a t f o r m ，s t i l ln e e d sm o r e r e s e a r c ha n d p r a c t i c e k e y w o r d s ： g e n e r a t o rn e u t r a lg r o u n d i n g p e t e r s o nc o i lg r o u n d i n g h i g hr e s i s t a n c eg r o u n d i n g l o wr e s i s t a n c eg r o u n d i n g o f f s h o r eo i la n dg a sp l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘望或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学僻t 论文作者签名：参i 寿嚼络签字日期：坩牛年1 2 , e jj5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参。l 婷门想 庐， 导师签名： 彳剜乞 ，p 签字日期：z ，o e 4 年j 乙月lj 日签字日期：护牟年lz 月 5 日 天津大学硕士研究生论文绪论 1 本文的研究背景 绪论 随着海洋石油、天然气开发的快速发展，油、气田规模逐步增大，海洋平 台的单台发电机组容量已超过l o g w 。由于过电压、接地故障电流等直接影响机 组安全可靠运行的因素，使得原有的中性点不接地系统已不适用，并已开始采 用发电机中性点接地方式。而在大中型发电机中性点接地选择上，由于在理论 和实践上认识并不深，所以难免观点迎异。对于陆地大中型机组主要有消弧线 圈接地方式和接地变高阻接地方式。而海洋较大型油、气田电力系统中型发电 机主要采用低阻接地方式。 本课题的理论意义在于通过分析计算不同接地方式下的过电压、接地故障 电流等特性，分清高阻接地和消弧线圈接地的优缺点，在发电机中性点接地选 择中做到技术先进，经济合理，以便为今后海洋工程使用大型机组实践提供初 步的理论基础。另外本课题对于发电机接地进行了详细的分析，可供相应设计 及研究人员参考。这无疑会对选择更好的发电机中性点接地方式，起到积极的 指导和参考作用。对丰富发电机接地方式理论研究进行了有益的尝试。 近年来，海洋油、气田发电机容量逐步增大，选择较好的接地方式，是提 高机组运行可靠性的保证。一个技术性能优越、经济合理的接地方式，必将为 社会创造直接的或间接的社会和经济效益，具有潜在的海洋工程应用意义，这 是本课题的应用价值所在。 国内外的研究概况和发展趋势 发电机中性点接地理论从彼得逊( w p e t e r s e n ) 早在1 9 1 6 年首先提出消弧 线圈的概念及奠定相应的理论基础，至今己经有8 0 多年的历史，取得了令人瞩 天津大学硕士研究生论文 绪论 目的进展，在大中发电厂得到了应用。许多领域的研究取得了很多重要的成果， 并得以在实际工程中采用。如消弧线圈和接地变高阻接地的暂态过电压的网络 仿真模拟研究，大中型发电机定子接地保护等。国际电气与电子工程师协会针 对如下直接接地、电抗器接地、电阻器接地、配电变压器接地、接地故障补偿 器接地、接地互感器接地和不接地七种方式，制订了i e e e 发电机接地保护导 则。我国有王维俭、薛紫球等一批专家学者，在从事电力生产设计研究工作中， 对发电机接地的理论和实践，做出了大量、有益的工作。在基本理论、基本概 念、基本研究方法上取得了一系列的进展，并在大中型发电工程实践中进行了 应用和检验。 发电机接地方式涉及的技术问题较复杂，同时由于设计、应用习惯和电站 所在系统千差万别，接地方式也不尽相同，各自存在着优缺点。国外选用接地 变高阻接地和接地故障平衡器( 类同于消弧线圈) 接地的较多：而我国在大中型 机组选用高阻接地方式有明显的上升趋势。尽管在发电机理论和实践上己不存 在解决不了的问题，但人们对其正常运行及故障特性的认识远未完结，理论深 度和实践检验还需进一步加大，这也许能为我国在这一应用领域建立相应一致 的看法和较为完善的理论创造条件。 3 本文的主要工作 1 ) 从理论和实践两个方面，对各种接地方式进行分析，从而对发电机中性 点为什么接地，各种接地方式存在的问题进行计算推导，为分析选择大中型发 电机接地变高阻接地和消弧线圈接地方式建立了基础。 2 ) 对消弧线圈接地方式进行了分析，对消弧线圈的设计原则，直接过电压 和耦合过电压及故障电流进行分析推导。 3 ) 对接地变高阻接地方式进行了分析，阐述了接地变压器及二次电阻的设 计选择原则，推导了计入接地变感抗后接地变等值电路和相应的接地故障电流 2 天津大学硕士研究生论文 绪论 及过电压特性。 4 ) 根据海洋石油平台电气系统的特点，选择使用发电机中性点低电阻接地， 设计p y 3 0 1 项目的发电机接地系统，对系统的短路电流进行计算，确定短路保护 等级 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 第一章发电机中性点接地方式 i 1 发电机中性点采用不同接地方式的原因和目的 由于发电机及发电机端所连设备和装置存在大小不等的对地电容，当发电 机绕组发生单相接地等不对称故障时，接地点流过的故障电流即上述对地电容 电流。该电流一般仅数安或数十安。发生故障时，故障处电弧时断时续，产生 间歇性弧光过电压，这将损伤发电机定子绝缘，造成匝间或相问短路，扩大事 故范围，严重的将烧伤定子铁芯。当发电机端外部元件发生单相接地故障等不 对称性故障时，同发电机内部接地故障一样，或由于弧光过电压，或由于电容 电流超过一定数值，将对发电机和其它设备造成损害。 由于上述原因，发电机中性点要采取不同的接地方式，主要目地是防止发 电机及其它设备遭受不对称故障的危害。具体有以下几方面： 1 当发电机外部故障时，限制定子一点接地时最大接地电流从而限制 定子线圈的机械应力。 2 限制故障点电流或故障时间，把故障点的损伤控制到最小。 3 限制故障时的稳态和暂态过电压大小在安全数值以下，防止设备绝 缘遭受破坏。 4 提供选择性好、灵敏度商的接地保护，以便在定子一点接地时，能 准确地发出接地信号或有选择地断开故障发电机。 1 i i 发电机和机端连接设备、装置对地电容计算 发电机端连接设备和装置一般有主变压器、厂用变压器、发电机电压母线、 电力电缆、电流互感器、电压互感器及过电压保护电容器。相应计算分述如下： i i 1 i 汽轮发电机对地电容 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 1 经验公式一 c 。：_ 一。警( m ( 1 - 1 ) 1 31 05 1 1 ”7 式中k 一校f 系数，数值为0 5 ： q 、【一发电机定子槽数；定子槽的长度( ( m ) ； “、i 。槽内导线铜的周长及槽内绝缘厚度( r n m ) 2 经验公式二 c ，= 裂) ( 1 - 2 ) 式中z 、e 广发电机定子槽数：槽相对介质常数： i ，h n ，b n 一，定子铁芯长度、槽高、槽宽( c m ) ； c l 一电机绝缘厚度( e r a ) 。 3 经验公式- - ( 用于高速汽轮发电机1 c r2 而而2 5 2 蒜g s 面p f ) 0 - 3 ) 式中s n 、u n ，一发电机额定容量( k v a ) ；发电机额定电压( k v ) ； o 一系数，当温度为1 5 2 0 0 c 时取o ，0 1 8 7 1 , 1 1 2 主变压器对地电容发电机相连的升压变压器为y 接线，发电机侧接 线，所以低压侧的短路特性电容电流与高压侧是独立的。一般我们只须计算变 压器的低压线圈对地电容。变压器低压线圈的三相对地电容电流一般按o 。1 0 ，2 估算。变压器低压线圈的单相对地电容公式如下： c b2 瓦1 c 证b 枷3 f ( 1 - 4 ) 式中c 旷_ 一变压器低压线圈的单相对地电容( uf ) ； i c b 一变压器低压线圈的三相对地电容电流( a ) ； u 茈一变压器的额定电压( k v ) ； 1 0 一发电机角频率( r a d s ) ，( i ) = 2nf 4 天津大学硕+ 研究生论文第一章发电机中性点接地方式 按电力工程电气发计手册变压器每相对地电容1 3 8 k v 为o 0 0 4 0 0 1 uf 3 5 k v 为0 0 0 3 0 ，0 0 9uf 。国内实测部分变压器低压线圈电容值见表l l 表1 1 国内部分变压器低压线圈电容值 变压器型号 电容值变压器型号电容值 p f 相p f l 1 s f - 2 0 0 0 0 1 2l 6 _ 3 k v1 1 0 9 0s f - 6 0 0 0 0 1 2 1 1 0 5 k v1 9 6 4 0 s f - 4 5 0 0 0 1 1 2 1 1 0 5 k v1 4 9 7 0s f 6 0 0 0 0 1 2 l 1 0 5 k v1 1 9 5 0 s f - 5 0 0 0 0 1 2 1 1 0 5 k v2 3 5 5 3s f - 1 2 0 0 0 0 1 1 2 1 1 1 0 5 k v1 2 5 2 0 1 1 1 3 发电机电压母线对地电容发电机电压母线有敞开式硬母线、封闭母线和 组合导线。对敞开式硬母线一般按三相接地电容电流( ( o 5 1 ) x1 0 3 ( a m ) 计算， 其下限值适用于1 0 k v 及以下电压，上限值适用于1 0 k v 以上电压。由此可估算 敞开式硬母线的对地电容。离相封闭母线的外壳是接地的，单相对地电容可按 同轴圆导体电容计算，见公式( ( 1 5 ) 。 c m 2 罴枷f ) m 5 ) r m 式中cf m 、l 一封闭母线每相对地电容( uf ) ；封闭母线长度( m ) ； r r 、r m 一封闭母线外壳和导体半径( m ) ： 一空气的介电常数，= 8 8 6x 1 0 4 2 。 1 1 1 4 海洋平台主要考虑电力屯缆的电容。电力电缆、电容器等电容计算电力 电缆电容可按式( 1 - 6 ) 计算，也可按式( 1 7 ) 估算。 c 。：掣1 0 s ( “f ) ( 1 - 6 ) i i l 三 r l 式中c l 、l 一电缆电容( i if ) ：电缆长度( m ) ： r 2 、r l 一电缆芯线半径和电缆外皮内半径( c m ) ； er 、e 一空气的介电常数，一8 8 6x1 0 - ；电缆绝缘材料相对绝缘 6 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 介电常数，一般e = 3 c l 20 5 5x1 0 。l ( i _ t f )( 1 7 ) 一般来说，电流互感器、电压互感器电容很小，在计算发电机及其电压回 路电容时，在没有厂用变压器及电流互感器、电压互感器电容数据时，一般可 不计入。发电机电容占总电容比例比较大，应咨询制造厂以获得准确数据，上 述公式宜用于方案比较阶段和没有更为准确资料的情况下使用。 1 1 2 接地故障电流限值 据1 9 9 5 年有关统计资料表明，我国i o o m w 及以上发电机共发生本体故障 7 1 次，其中定子绕组接地故障有2 0 次，约为本体故障的2 8 1 7 。另据资料介 绍，法国电力公司水电生产处研究了1 2 0 0 台水轮发电机事故档案，发现所有的 电气事故都与接地故障有关，而且都是从单相接地故障发展成为多相故障。汽 轮发电机具有同样的问题。如陕西渭河发电厂6 号机0 0 0 m w ) ，1 9 9 7 年1 1 月并 网运行，主汽门关闭。此时定子绕组- t h 接地( 位于机端) ，定子接地保护拒动， 发电机解列时又发生另一相定子绕组接地，匝间绝缘击穿，造成定子线棒烧坏 多根，定子端部铁芯烧损，损失严重。这样的事例较多，据1 9 7 6 1 9 8 0 年间初步 统计，投入运行的i o o m w 及以上国产发电机中，有相当一部分定子线圈被损坏， 其中有i 7 故障发电机被严重烧损，发生定子线圈点接地故障约占整个发电 机故障的4 8 。可以说单相接地故障是发电机最常见的故障和引起其它接地故 障的主要因素。 1 1 2 1 单相接地故障对发电机的危害定子绕组单相接地故障对发电机的危害主 要表现在烧伤定子铁芯和使接地故障扩大为相间或匝间短路。如陕西韩城发电 厂3 号机( 1 2 5 m w ) ，1 9 9 7 年并网发电运行，由于发电机转子漏水发生接地，在 运行人员检查过程中，保护动作，值时发电机定子烧坏了一半。损失惨重。铁 心烧伤由故障点电流和故障持续时间决定，故障点电流越大，故障持续时间越 长，铁芯损伤越严重。对于没有伤及铁芯的定子绕组绝缘损坏，修复工作较简 单，停机时间较短；旦烧伤铁芯，对于大型发电机组定子铁心结构复杂，修复 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 困难，停机时间长。如果蜕定子绕组绝缘损坏和单相接地故障是难免的，但由 此损坏定子铁心应该是可以避免的。为此应设法减小定子绕组单相接地电流， 同时缩短接地故障时间。 1 1 2 2 发电机允许单相故障电流值1 9 8 8 年国际大电网会议公布了1 7 个国家3 3 个电力公司7 5 4 台发电机中性点接地方式时指出：“9 9 的发电机，在选择发电 机中性点接地方式时，都主张把接地故障电流限制到非常低的水平”。我国早期 参照原苏联制定的发电机单相接地电流允许值5 a ，曾提出当发电机连接的电气 回路发生单相接地电流大于5 a 时，发电机中性点要装设消弧线圈接地。随羞大 容量，高额定电压发电机的出现，通过故障点的能量增大，为防止发电机铁芯 烧损，般都采用了较小的故障电流允许值。捷克动力研究院曾提出接地故障 电流5 a 将熔化1 6 1 7 片定子铁一i l , 叠片，修复工作艰难，停机时间过长，因此将 1 o 1 5 a 作为接地电流允许值。 我国有关国标和规程对发电机允许单相故障电流值作了规定，见表1 - 2 发 电机中性点接地应满足其要求。 表1 - 2 发电机允许单相故障电流值 发电机额定电压( k v ) 3 1 5 63 j o 5 1 3 8 - 1 5 7 51 8 2 0 发电机额定容量( m w ) 5 0 5 0 l o ol o o ，2 2 5 3 0 0 故障点残余电流( a ) 432 1 1 2 发电机中性点接地方式 由于发电厂和水电站的发电机容量、接线型式、接入系统的不同，以及人 们对发电机和系统运行的要求、习惯不同，发电机中性点接地方式也不同，各 有其特点。一般来说，有直接接地、低电阻接地、高电阻接地、电抗器接地、 消弧线圈接地和不接地等方式。 1 2 1 发电机中性点不接地和直接接地 最简便的方法是发电机中性点不接地，可减少发电机中性点设备。当发生 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 一点接地时，定子接地电流小，可以带故障运行一段时间( 规定为2 小时) ，但不 能限制定子接地弧光过电压。一般1 0 m w 以下机组，可以满足发电机电压回路 对地电容电流的要求，采用不接地方式。在这种情况下，接地故障的指示信号 可以由三相五柱式电压互感器的开口三角线圈零序电压给出，也可采用三个单 相电压互感器提供零序电压。当单机容量为1 0 m w 以上，特别是大中型机组， 已不能满足接地电流的要求。定子接地产生危险的电弧电压其数值可达相电压 的4 5 倍：接地电流过大，烧坏绝缘，引发严重的事故。为防止中性点过电压， 最直接的办法是将中性点直接接地。但是这样不仅不能减小定子接地电流，反 而使接地故障电流加大。在下面的讨论中，我们还会看到一相接地时的短路电 流大大超过三相短路电流等其他方面的不利因素。所以只有在农村的四五百千 瓦及以下，出线电压为0 4 k v 的小型水轮发申机中性点采用直接接地。 1 2 2 单相接地短路电流的分析 1 2 2 1 对称分量法求解的序网等效电路对于单相接地故障，利用正序、负序、 零序网络的串联构成复合序网，见图i 1 e t s 为电网侧电源，忽略不计；z i m ，z 2 。， z o 。为母线正序、负序、零序阻抗，一般很小，忽略不计；另序网中发电机电压 侧与电网在变压器低压侧三角形绕组处是开路的。化简后等效电路如图1 2 。单 相接地故障电流计算见公式( 1 - 9 ) 。 z l = z l g z 。( z l ，+ z 1 ；) z 2 = z i g z 。( z 2 f + z ? 。) z 。= ( z o g + 3 z 。) z 。 ( 1 8 ) 式中z l 、z 2 、z o 一正序、负序、零序网故障点等值阻抗( q ) ； z ”z 2 窨、z o g _ 一发电机的正序、负序、零序阻抗( q ) ； z i c 、z 2 广变压器正序、负序阻抗( q ) ； z b 、z 2 f 一系统侧电网的正序、负序阻抗( q ) ； z n 、z c 一发电机中性点阻抗和发电机及其电压回路每相对地阻抗( q ) 。 天津火学硕十研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 z b 予k 一一一 t e ，。j 5 一；t ：一，上一一。 ：耋样l 2 l 。 ：，x c z i ， zn m z hz ：， 。 一 t ：； fc | 1 ) i jj zn j x c ： 一j i ： ：一 j z z 二 叶墨 【 z k -喻 ：3 z n：x i 二一 图1 1 单相接地对称分量法复合序网图1 2 化简后等效电路图 k 1 ) _ t 吐= 志( 删) ，= j ，( - ) + ，( z ，+ j ，( 。) = 高( 触) ( 1 9 ) 式中k 1 ) 、i “2 ) 、) 、一故障点的正序、负序、零序和总故障电流( k a ) ； 色一发电机相电压( k v ) 。 1 发电机中性点不接地由于计算发电机短路初瞬的周期分量幅值，忽略电 阻，取发电机正序、负序、零序阻抗为发电机正序、负序、零序电抗x l 、x 2 、x o ， 其各项值远小于发电机及其电压回路每相对地阻抗z c 一- , 1x c ，约差几个数量 级：又发电机中性点不接地，z 。为无穷大。则 z l = z l g z 。( z 1 i + z l ；) j x l ( z l + z l 。) z 2 = z l g z 。( z 2 i + z 2 。) j x2 ( z 2 t + z 2 。) z 。= ( z 。g + 3 z 。) z 。一j x 。 x l x o 。x 2 x o ，z i 、z 2 可以忽略，上述关系代入公式( 1 9 ) ，得 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 3 e 3 e z l + z 2 + z oz i + z 2 一j x 。最( k a ) ( 1 - 1 0 ) e h 2 式( 1 - l o ) 我们可以看出，发电机中性点不接地时发生单相接地故障电流 等于发电机及电压回路三相对地电容电流。 2 发电机中性点直接接地 与发电机中性点不接地情况相同，只是此时z n 为零，则z 。= ( z 。+ 3 z 。) l l z 。= z 。一j x 。= z 。= j x 。又发电机正序、负序电抗 与发电机连接的升压变压器电抗数值接近，所以有 x l t + x l 。x l 1z 1 = j x l ，( z 1 i + z l 。) j 0 5 x 1 x 2c + x 2 。x2j z 2 = j x 2 ( z 2c + z 2 。) j o 5 x2j 计算取发电机i 1 三序和负序电抗等于发电机次暂态电抗( 无阻尼电机为暂态电 抗x d ) ，即x 1 2 x 2 i 勘，发电机零序电抗小于正序和负序电抗馐 见表1 - 3 ) ，即x 0 = ( o 1 5 0 6 ) x d ，取发电机正序阻抗等于负序阻抗，一般情况得z o - j x o 旦 z i + z 2 + z oz l 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 表l 一3 旋转电机电抗平均值( 标么百分值) 序 x ：( x 。) x 2 x o 号 名称 平均值变化范围平均值变化范围平均值变化范围 3容量为5 0 m w 屈咀 1 451 7575 下的汽轮发电机 41 0 0 m w 及1 2 5 m w 1 752 1080 的汽轮发电机 l o 1 751 3 4 1 9836 85 j2 0 0 m w 的汽轮发电j 4 5 1 7585 机 63 0 0 m w 的汽轮发电 1 72i 988 4 机 7 同步调相机 1 6 0l5 3 001 651 6 2 4 0858 86 我们知道，故障点处三相短路故障电流i ( = j 】f ，= e z l ，所以当发电机中性点直 接接地时，绝大多数情况下z o = j x o _ _ z l = z 2 ，但流过中性点接地发电机的故障电流仍可能大于发电机三相短路 电流掺孙g ，= e i x ”d ( 或x d ) ，且故障的破坏程度更为严重( 见1 2 2 2 节) ，从发电 机绕组的机械强度来看，这是不允许的。 1 2 2 2 发电机端带并联运行母线的单相接地故障、通过下面的讨论，我们可以 看到，机变单元接线的发电机中性点具有较灵活的中性点接地选择，而发电机 端带并联运行母线( 或称为汇流母线) 的发电机中性点接地选择受到较多的限制， 在这种情况下发电机中性点直接接地方式不能采用 属于发电机有并联运行母线的接线，如扩大单元接线或单母线接线见图l 3 。 这种接线当发生单相接地故障时，故障电流可利用公式( 1 9 ) 求得。如果只有一 台发电机独立运行，发电机中畦点直接接地，求得的故障电流也就是流过发电 机中性点的电流。当z 。小于z l 或z 2 时，如1 2 2 1 中所述。故障点单相接地 电流大于三相短路电流。如果这种接线有两台及以上发电机同时并列运行，虽 然x o ( x l = x d ”，发电机正序、负序电抗并联后数值减小，可能 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 ，上卅 霎 、 嚣 0 一； x 监 参j 岩 卜帆j ：。， 、 ，7 t ! ? l 、 短 ： 女 、 ，一暑 ：j il )( f j 图1 3 发电机带机端并联母线图例( a ) 机变单母线 接线( b ) 机变扩人单元接线 zo z l 或z 2 ，此时故障电流将流过中性点直接接地的那台发电机，单相接 地电流大于发电机三相短路电流 由于短路点或系统存在差异，发电机三相短路 电流可能接近或等于i g 3 = e j x ”d ( 或x d ) ) 情况将变得更为突出。 例如，设有3 台发电机并列运行，结线见图1 - 4 ( a ) 。图中发电机各序电抗为 标幺百分值，即x 1 = 1 5 6 ，x 2 = 1 5 6 ，x o - = 5 5 。当机端某一相发生接地故障， 计算故障电流的复合序网见图1 - 4 ( b ) 。从图中可以看到z l = 5 2 ，z 2 = = 5 2 ， z o = 5 5 。单相接地故障电流的各序分量和总故障电流为 i 州，。ir c ：，2 ir t 。，2 焘2 j j 彘 i r2 i 叩，+ i r c z ，+ i r c 。，2 焘2 3 6 2 9 i 。 j n 中性点接地的发电机故障电流各序分量和总故障电流为 刀厣变压器 _ 一一 13丫； 叶 、f_t_t、r，-_j 撕 也 & 8 = 8 k i i 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 i a ( 旷知，= x 6 2 9 i 。- 2 l o i 。 i 哪，= 扭：、= j 1 6 2 9 i 。- 2 l o j 。 i “o ) = i f ( o ) = 6 2 9 i 。 i 。= i 。1 1 ) = i 。i 2 ) = i 。( 帅= ( 2 ，1 0 + 2 1 ) 十6 2 9 ) i 。= 1 0 4 9 i 。 而发电机三相短路电流为i g ( 3 ) = e x ”d = ( 1 0 0 1 5 6 ) 1 。= 6 4 l i 。，所以当两台及以上 机组带机端母线并联运行( 机变组合为单母线或扩大单元接线) 时，中性 z i 52z i - s 2 正庠负序 z _ 5 5 霉序 ( b ) 图i 4 三台发电机并列运行单相接地故障c a ) 接线图( b ) 复合序网图 点直接接地的发电机单相故障电流大于三相短路电流。在上例中，发电机承担 了1 0 4 9 6 4 1 = 1 6 4 倍的三相短路电流，由于发电机线圈的机械应力和电流的平 方成正比，线圈所受的应力相当于2 6 8 倍三相短路应力。可以清楚地看出，中 性点直接接地发生单相故障是十分严重的，一般不能将发电机中性点直接接地。 上述推导，忽略了发电机对地电容，一般为正序电抗的几千倍以上，计入后 结果变化不大，性质不变。 1 2 3 几种实用接地方式简述 发电机中性点不接地和直接接地方式在上面已经讨论过了，其使用都有其 特殊的条件。特别是直接接地，如果几台发电机并列运行，中性点同时接地， 在正常运行时也会产生三次谐波环流，因而将引起电流的波形畸变、对通讯系 统产生干扰和使继电保护复杂化。如只有一台发电机接地，不但使运行复杂化， 4 骥 11l_1，博 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 而且会使中性点接地的发电机严重过载，前面算例己作了说明。因此对于海洋 平台电力系统具有两台以上发电机的电站，不宜采用中性点直接接地方式。下 面针对几种国内外实用的发电机中性点接地方式作简要说明分析。 1 2 3 1 发电机中性点经电阻接地发电机中性点经电阻接地又分为低电阻、中电 阻和高电阻方式。低电阻接地方式，其单相接地的故障电流在2 5 a 以上，由于 发电机中性点低电阻接地，故障电流不仅仅是发电机及其电压回路的电容电流， 故障电流容许值可达到15 0 0 a 或更大些。高电阻接地方式，其单相接地电流限 制在2 5 a 以下。中电阻接地方式，单相接地电流可能大于2 5 a ，但限制其数值 不会象低电阻接地那样高。 1 氐电阻接地低电阻接地通常采用的电阻值为1 15 欧，其数值的确定是为 了限制最大的单相故障接地电流小于最大的相问故障电流。这种接地方式可以 限制弧光接地过电压在安全值以下，但接地电流数值过大。当接地故障电流达 到额定电流的1 5 倍时，电阻的短时功率损耗就已经达到发电机额定功率的5 0 ，接地电阻因热容量的限制，制造困难，运行中易损坏。从电阻器特性和发电 机允许接地电流出发，要求故障瞬时跳闸，因而决定了继电保护方案。一般采 用接地差动保护方案来检测发电机定子接地故障。由于接地电流大，接地继电 器灵敏度高，选择性也好，故当发电机内部故障动作准确，瞬时跳闸停机。当 发电机外部故障时不动作，见图1 5 ( a ) e 由于低电阻接地人为提高了接地故障电流，发电机定子单相接地故障时必 须瞬时跳闸停机，这样给系统带来较大冲击，可在系统中不占主要比重的小容 量发电机上采用。在系统中占比重较大的大中型发电机不宜采用。 2 中电阻接地这种接地方法采用星一角( y d ) 形接线和曲折( z i g - z a g ) 形接线 的变压器，初级绕组与发电机主引出线相连，在变压器中性点串联电阻器接地， 见图1 5 ( b ) ，( c 1 。等效接地阻抗的选择应能提供足够的电流，使接地保护继电器 有选择性动作。这种接地方法适用于发电机无中性点引出或采用 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 势咎糊寻睾i 哥一 “k - = 一i i 生! j 紫愀 二。 证电翟 。一。 l ”中电阻 圆震电母 ：亡一电压互感墨 + 里i 王 d l 高电阻 ： 1 t 。配电查点墨 l i 0 一二次侧带电阻 il i ? 丁i 、二( 。 爵电阻 雨竺矗墨 雨旷电压摹 j 一、 = i 夸中电基 j 、发电机 笮；三单相配电：宅拳 ! _ 曰压鼋惑善 。啊一一j j 吝电丑 图1 5 发电机中性点经电阻接地各种接线方式 三角形接线的发电机。在国际大电网委员会曾作过的发电机中性点实际接 地的方法调查中，有1 4 0 台发电机占调查总数1 9 的机组是采用图1 5 ( b ) ，( c ) 的中电阻方法接地的。 3 高电阻接地高电阻接地电阻器电阻数值的确定，要满足电阻器的功率损耗 等于或大于发电机及其电压回路对地电容中的零序无功损耗。这种接地方式可 以分两种类型。 一种是数值为几百欧至几千欧确定值的高电阻器接地，同时为配备接地保 护在电阻器串联的中性点回路并联一台单相电压互感器，见图1 5 ( d ) 。电压互 感器和电阻器额定电压按等于或高于发电机相电压选择，为绝缘留有一定裕度。 另一种是采用配电变压器接地，在变压器二次线圈串接电阻器，由于变压器的 作用，实际选用二次侧电阻值可以很小，转换到一次侧相当于高电阻接地，当 配电变接在发电机主引出回路，需三台单相变压器，一次绕组接成星形与发电 机相联，二次侧和电阻接成串联回路，见图1 - 5 ( e ) ；当配电变接在发电机中性点 回路，仅需一台单相配电变压器，这种形式接地即通常所称的配电变压器高阻 接地方式，应用较多，见图卜5 ( f ) 。在我国对其看法也不尽相同，在后面的章节 再作详细讨论。 1 6 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 高阻接地的第一种类型，存在一定的问题。在电压互感器上可能反映整个 回路任何部位的接地故障，包括互感器的低压绕组、联接线、发电机绕组，作 用跳闸或报警，可能因此失去应有的选择性。另一方面，高压系统的过电压也 可能作用于电压互感器，有引起接地故障指示的危险。高压侧接地故障引起的 部分零序电压，经升压变压器的电容效应，分压传递到低压侧，其数值的大小 取决于变压器变比、高压侧接地方式、故障点位置、变压器中性点接地与否、 发电机及变压器的电容量等因素。 元宝山发电厂3 0 0 m w 发电机采用图l 一5 ( d ) 的高阻( 2 0 a ) 接地方式，在实际 运行中由于主变高压侧发生接地，由于静电祸合的直流电压分量造成接地继电 器误动。为此又采用了闭锁装置，并将继电器动作时间整定为o 5 秒。采用闭锁 装置，就要考虑拒动，o 5 秒后动作跳闸是否会扩大发电机故障值得研究。由此 说明，这种接地方式还存在一定问题。第二种高阻接地类型基本避免了上述问 题。 1 2 3 2 发电机中性点经电抗接地这种接地分中性点电抗器( 低感抗) 接地、接地故 障平衡器( 调谐电抗器) 接地和消弧线圈接地。 1 中性点电抗器( 低感抗) 接地这种接地是在发电机中性点直接串接一台低 电感的电抗器，接线见图1 6 ( a ) 。电感数值的选择类似于低电阻接地电阻值的 选择，限制单相故障电流小于最大相间短路电流。但故障电流可能大于高阻接 地方式下故障电流的许多倍，是发电机三相短路电流的2 5 一1 0 0 。除发电机中 性点附近的定子故障外，单相接地故障电流都可高得足以使标准发电机差动继 电器动作。其缺点是容易引起中性点位移，因电感磁场衰减得很慢，故障切除 后仍对发电机构成绝缘危害，实际采用的很少。 2 接地故障平衡器( 调谐电抗器) 接地这种接地方法是选用一台配电变压器， 一次侧接入发电机中性点，二次侧并联一台电抗器( 消弧线圈) ，见图1 - 6 ( b ) 。所 选择的电抗器电抗值当折算到一次测时，应使其电抗等于发电机及其电压回路 零序容抗的三分之一。从电感和电容匹配看，属于谐振回路，所以也称调谐电 抗器接地，但有电阻的存在，发电机单相接地故障时并不会发生真正意义上的 天津大学硕士研究生论文 第一章发电机中性点接地方式 谐振，只是电抗器产生电感电流补偿了发电机回路的电容电流。这种接地方法 限制单相接地故障电流在很小的数值之下，不产生电弧，发电机定子接地保护 具有高灵敏度。适用于在不同的系统运行方式下回路的零序电容变化不大的条 件下。据资料介绍，英国英格兰电力公司在十余台发电机上采用这种接地方式， 接地故障电流限制在la 以内，发电机从未遭到电弧烧损。 3 消弧线圈接地这种接地方式在我国得到广泛采用，为大家所熟悉。接线见 图1 6 ( c ) ，类似于电抗器接地，不同的是电抗器电抗数值小，不可调，而消弧线 圈具有分接开关，可以适当( 或平滑) 调节电抗数值。从理论上讲，在发电 渗井压空压墨辫升压蹙压卷 - r ；笮j j 单相配电变运墨 主电渊任蠢皇望嚣 丝0 升压更压嚣 i 台j ，一、发电机 j 消弧或匿 ( 1 电抗暴接毛 n ) 接地故障旱衡器接地 t c ) j i f 弧缦难接地 i ；叠! 井五壹压暴 、一 i t 发电机 整嚣 图l 一6 发电机中性点接地部分接线方式 机定子回路发生接地故障时，消弧线圈的电感与回路的总电容产生并联谐振， 可使接地电流接近为零，类似于故障平衡器接地，但有不同于故障平衡器详细 分析见后面有关章节。 1 2 3 3 中性点经单相电压互感器接地实际上这是一种中性点不接地方式，即发 电机中性点经电压互感器初级线圈接地，其次级线圈接接地故障信号装置见图 1 6 ( d ) 。对于单相接地电容电流小于安全电流的发电机可采用这种接地方式， 我国汽轮发电机大中型机组采用这种接地方式较多。 电压互感器一次额定电压宜选发电机的额定线电压，这样发电机故障时互感 器铁芯不会饱和，以便二次电压比较真实的反应一次电压，用来测量发电机中 天津大学硕士研究生论文第一章发电机中性点接地方式 性点的基波和三次谐波电压，实现发电机定子无死区保护。 其缺点是所联回路任何部分接地故障，都有可能产生一个电压施加在互感器 上，误动报警或跳闸：也可能由于高压侧接地故障，通过变压器电容祸合，引起 过电压。这两点同高电阻接地并联电压互感器方式一样，不再赘述。电压互感 器的单相绕组在额定线电压作用下的励磁电抗，还可能与发电机及其回路容抗 发生危险的铁磁谐振。 为确保发电机在各种工况下不受破坏，大型发电机要在发电机端装设三相 电容冲击波吸收器，防止过电压；选择较低的互感器铁心磁密，或在互感器的开 1 3 三角接入电阻性负载以防止铁磁谐振。根据实际运行情况，有人认为发生故 障较多，发电机定子线圈遭到损坏，不适合于大中型机组：也有的观点认为，这 种方式很好，宜应将高阻接地的配电变接地方式改为电压互感器接地方式，本 人认为后一种观点值得商榷。 9 天津大学硕士研究生论文第二章发电机中性点经消弧线圈接地 第二章发电机中性点经消弧线圈接地 2 1 消弧线圈的设计选择 消弧线圈无论在输变电系统，还是在发电厂的机组中性点接地方面，都 得到了广泛应用。当发生单相故障时，由于消弧线圈接地产生感性电流，充分 补偿了故障电容电流，减小了接地故障电流及燃弧的可能性，所以电网或发电 机可以持续运行一段时间。消弧线圈这一特点在我国电力系统发展的早期，无 疑是最适合要求和得以普遍采用的主要原因。近年来在大中型机组的发电机中 性点接地方面，选择配电变压器二次线圈带电阻的高阻接地方式较多，但还不 可能用一种形式完全取代另一种形式，目前发电机中性点采用消弧线圈接地还 有相当的数量，设计选择什么方式，要具体做充分的技术经济比较。； 2 1 1 消弧线圈的结构特点 早在1 9 1 6 年由彼得逊f wp e t e r s e n ) 首先提出了消弧线圈的概念。他全面研究 了同电力系统中接地故障有关的