低压发电机中性点接地方式探讨

在电力系统中，发电机和变压器的中性点是否接地运行，涉及技术、经济、安全等多个方面，是一个综合性的问题。 　　为保证人身和设备的安全，有必要加强对电气设备中性点接地方式的研究，以便确定一个既安全可靠又有利经济运行的接地方式。根据我国《机械工厂电力设计规范》(JBJ6-96)，我国低压系统接地方式有IT、TT、TN三种，其中IT系统和TT系统的设备外露可导电部分经各自的保护线直接接地(又称为保护接地)；TN系统的设备外露可导电部分经公共的保护线与电源中性点直接电气连接(又称接零保护)。IT系统电源中性点对地绝缘或经高阻抗接地，且用电设备的金属外壳直接接地，称为三相三线制供电系统的保护接地；TT系统电源中性点直接接地，用电设备的金属外壳亦直接接地，且与电源中性点的接地无关，称为三相四线制供电系统中的保护接地；TN系统在变压器或发电机中性点直接接地的380／220V三相四线低压电网中，将正常运行时不带电的用电设备的金属外壳经公共的保护线与电源的中性点直接电气连接，称为三相四线制供电系统中的保护接零。而我国的低压发电机一般都采用TN接地方式。国际电工委员会对系统接地的文字符号的意义规定如下： 　　第1个字母表示电力系统的对地关系： 　　T——一点直接接地； 　　I——所有带电部分与地绝缘，或一点经阻抗接地。 　　第2个字母表示装置的外露可导电部分的对地关系： 　　T——外露可导电部分对地直接电气连接，与电力系统的任何接地点无关； 　　N——外露可导电部分与电力系统的接地点直接电气连接(在交流系统中，接地点通常就是中性点)。 　　后面还有字母时，这些字母表示中性线与保护线的组合： 　　S——中性线和保护线是分开的； 　　O——中性线和保护线是合一的。 2 问题的提出 　　城头二级电站位于钱塘江上游的兰江支流梅溪上，隶属于浙江省金华市兰溪城头水库管理处，现装机2×125kW，配315kVA主变1台。电站发电机组的中性线与主变的中性线接在一起，共用一个接地装置，属于TN接地方式。在电站运行中，值班人员多次发现发电机外壳、控制屏等有轻微麻电现象。经多次测试，发电机三相电流平衡，变压器和发电机绝缘电阻均合格，接地电阻为12Ω，略大于的0．5～4Ω，而变压器中性点电流高达250A，占额定电流的44％(标准为中性点电流不得超过额定电流的25％)，中性线电压达45V，超过安全电压36V，严重危害到人身和设备的安全，并产生下列不良影响： 　　1)发电机效率降低，增加内耗。运行中的发电机，谐波会使电动势波形变坏，同时谐波电动势会在发电机中引起额外附加损耗。因为高次谐波频率比基波高，频率高的电流及其产生的磁场，作用于导线上，则会使导线产生集肤效应；作用于铁芯，则会在铁芯表面产生损耗。此外，谐波磁场还在定子铁芯齿上产生附加损耗。所有损耗促使发电机温升上升，造成绝缘老化加剧，影响发电机寿命。 　　2)额外损耗也使主变温升上升，造成变压器绝缘老化加快，也影响其使用寿命。 　　3)同样额外损耗需消耗一部分功率，造成一定的经济损失。 　　4)由于电气设备外壳长期带电，易造成人员触电伤亡事故。 　　那么中性点电流、电压到底从何而来呢? 3  原因 　　经检查分析，认为是由现行发电机的接地方式构成三次谐波电流回路和发电机外壳没有重复接地引起的。较大的中性线电流在接地装置上产生较大的中性线电压。 　　根据电工原理，发电机电势波形决定于气隙磁通密度沿空间分布的形状。在实际的电机结构中，磁通密度不可能完全按正弦分布，除基波外，还存在着高次谐波。而高次谐波中三次谐波占主要部分。三次谐波的特点是A、B、C三相电势中谐波EAB3、EA3、EB3是同相的，基波的1个周期相当于三次谐波的3个周期(见图1)。而在同步发电机的电动势中，除基波外，三次谐波的峰值最大，对发电机的定子电动势的影响也最大。而发电机一般采用Y型接线，当中性点不接地时，三次谐波电势都同时指向中性点或背向中性点，构不成电流回路，线电势始终为零(EAB3=EA3-EB3=0)(见图2)。 图1  基波谐波对比图 图2  Y型接线谐波电势示意图 　　城头二级电站发电机的接地方式恰好构成了三次谐波电流回路，形成了谐波环流，从而产生较大的中性线电流(见图3)。 图3  谐波环流示意图 4 和效果 　　为了人身和设备的安全，我们采取了以下措施：一是重新装设垂直接地体。二是将发电机的接地方式由TN改成IT，即拆出各台发电机的中性线，发电机外壳接地，使发电机由三相四线制运行改为三相三线制运行，使三次谐波分量形不成环流通路。而设备的金属外壳有了保护接地后，由于人体电阻远比接地电阻大，在发生单项碰壳时，大部分的接地电流被接地装置分流，流经人体的电流很小，从而对人身安全起到保护作用。三是要加强接地电阻发电机和变压器绝缘电阻的测量。 　　改成IT接地方式后，提高了发电机和变压器的安全经济运行，取得了以下效果：一是中性电流由250A降低到50A，而且消除了额外损耗；二是中性电压由45V降低到0V，解决了麻电问题，避免了触电危险；三是降低了发电机和变压器的温升，延长了使用寿命。 5  结束语 　　由于TN系统和IT系统各有特色，我们认为应根据TN系统和IT系统的工作原理及电站一次主接线而确定低压发电机接地方式，有直供负荷的低压发电机宜采用TN系统，而直接与主变连接的低压发电机宜采用IT系统。