发电机中性点接地方式及发展趋势

) 电机／、／， 嫉地 r 发展 卜．时 发电机中性点接地方式及发展趋势 厦门供电局 鲎堂_旦 (361004) 弓『o 占z 一 、 前言 电力系统的装机容量，特别是单机容量迅速 ． 增大，因此对运行可靠性提出了更高的要求。尤 ‘ 其当在容量较小的系统中投入容量较大的发电 ． 机 (大机小网)时，安全问题更显得突出。福建 电网就遇这一问题：运行中的大型发电机，一旦 突然跳闸，可能引起系统瓦解或大面积停电事 故，将会给国民经济带来严重的损失。引起发电 机跳闸的原因众多，本文专论发电机中}生点接地 方式和与此相关的一些问题。 迄今，发电机中性点的接地方式不外乎以下 五种 ： (1)、中性点直接接地； (2)、中性点径低阻抗接地； (3)、中性点不接地； (4)，中性点经高电阻接地； (5)、中性点经消弧线圈 (谐振)接地等。 中陛点经低阻抗接地可分成中性点直接经 低电阻器接地和低电抗器接地。当中性点未引出 时，可采用 Z型接线或Y／a形接线的配电变压 器，构成人为的中性点，再经低阻抗接地；中性 点不接地包括中性点经高压互感器接地；中炷点 经高电阻接地，同样可分为中性点直接经高电阻 器接地、经单相配电变压器接地和 Y／a形接线 的三相配电变压器接地；而谐振接地又可分为可 变调谐电感 (消弧线圈、被得逊线圈或接地故漳 补偿装置)接地和固定调谐电感 (配电变压器加 电抗器)接地等。 第 1、2两种中性直接地方式的缺点明显，世 界各国现已废弃不用。 随着机组容量的增大和运行电压的升高，中 性点不接地方式逐渐受到限制。 目前世界各国采用的多为后两种接地方式． 即中性点经高电阻接地和消弧线圈接地方式，并 且形成了具有代表性的两大分支，随着科学技术 的发展，两者的优缺点也 日趋明显。 纵观发电机中性点接地方式的现状和发展 历史，可以清楚地看出零序阻抗逐步增大，加之 目前国际上普遍要求严防大型发电机的铁芯迭 片熔化焊接现象的发生，逸就必须将故障点的接 地电流限制在安全接地电流范围之内，而这一 点，唯谐振接地方式可以满足。通过后面的分析． 可以预言谐振接地是大型发电机中性点接地方 式的发展趋势，尽管这个过程可能较长。 为了阐明遗一问题，本文除对发电机不同的 接地方式进行评述之外将着巫对后两种接地方 式进行比较。 二、中性点接地 式 的评述 1988年国IF,T-~电网会议 (CIGP．JS)第23专 业委员会的第 62工作组 (SC23—06)发表了 “全世界发电机和发电机升压变压器绕组中性点 接地方式现状的报告”。[1 该报告汇总了征询得 到回答的 l7个国家、33家电力公司有关中性点 接地方式的现状，对于升压变压器中性点的接地 方式来说，所得结论是正确的；可是就发电机中 性点接地方式而论．情况就大不相同了。不管是 未进行征询，还是没有得到回复，看来其中未包 括中国和前苏联等国的有关情况，‘而这些国家的 大型发电机绝大多数的中性点采用谐振接地方 式，这—基本情况是不容忽视的。 根据征询的结果，1975年以后投入运行的 单机容量为 5O～i 640tvrVA、运行电压为 9．2～ 27kV的 75,1台发电机．有 53 的中性点经高阻 抗接地。其中的256台占全部机组的34 为单 相配电变压器接地；i 40台或 i9 采用 Y／A接 线的三相配电变压器接地；15家公司的 15,1台 · 1 ’ 维普资讯 http://www.cqvip.com 占 2O 的机组，指明接地故障电流限制到 5～ 15A。 关于低电阻接地方式．有 2家公司的106台 机组，占1 ．接地故障电流限制到20~30A。 这与过去的概念已经显著不同了。 还有 3家公司的 l7台机组，中性点采用消 弧线圈接地方式。其中拥有 l1台机组的一家公 司，将接地故障电流限制到 1A以内，目的在于 发生接地故障对不建立电弧。 此外，7家公司的 77台机组中性点不接地 运行。754台机组中无1台采用中性点直接接地 方式。 1、直接接地 这—接地方式最初被采用的主要出发点，是 认为工频电压升高为绝缘发生故障的一个主要 根源。此概念表明，电力设备具有承受频繁过电 流的冲击能力，而短时间升高√百倍的工频过 电压，将严重威胁发电机的安全运行。实践表明， 这一观点是不正确的。 发电机在中性点直接接地的情况下．当在其 外部发生单相接地故漳时，非故障相的工频过电 压比采用其他接地方式时均低．且无电弧接地过 电压和传递过电压的危险，同时继电保护也比较 简单。但是，当在发电机内部发生单机接地故障 时，即使继电保护能够快速动作跳开发电机，由 于暂态电流和稳态电流太大，超过三相短路电 流，其破坏作用远远超过√丐倍的工频过电压。 若发电机带有直配线．园线路故障将会造成断路 器的频繁动作和经常的停电事故，严重影响安全 供电 此外，当多台发电机井联运行时，困发电机 中性点对地l韵残压主要为三次谐波电压，为限制 较大数值的三次谐波循环电流产生的不利影响， 只能将其中一台发电机的中性点直接接地运行。 此时，当发生单相接地故障时，接地电癍的破坏 作用将更加严重。 由于上述的这些缺点，发电机中性点直接接 地方式，已废弃不用。 2、低阻抗 接地 发电机中性点经低阻抗(电阻或感抗)接地， · 2 · 可把单相接地电流限制到三相短电流的 25～ 100 。虽然继电保护仍能快速动作跳开发电机， 但铁芯的严重烧损依然是不可避免的。即使将接 地电流限制到发电机额定电流的 1．5倍，电阻器 上消耗的功率仍可达到发电机容量的 5O 。因 为阻值较低，热容量甚大，电阻器的体积很难缩 小，同时在发生接地故障的瞬间，突然加给发电 机一个冲击负荷，容易引起机轴变形，而且电阻 器本身也常造成损坏等。现在，单机容量增大， 此种接地方式同样已不适用。 过去我国，XC电厂进 口的一台 l3．2kV、 l8750kVA的发电机，中性点往 19．28Q的水电 阻接地，1982年发生的一次单相接地事故，继电 保护快速动作后跳开发电机，但铁芯烧损依然十 分严重。l-IS电厂过去有 3台 6．6kV、5000～ l0000kW的发电机，中性点往 0．625Q．的电抗器 接地，且有直配线路向矿区供电，电弧接地很容 易引起瓦斯煤炸事故。经笔者j垒议，利用现有的 低阻电抗器再加上一台60kVA的配电变压器， 改成经固定调谐电感接地。运行经验证明，显著 地提高了供电可靠性 现在，世界各国把 20A作为一个公认的分 界线，达到或超过此值的为低阻抗接地方式，小 于此值者为高阻抗接地。由此可见，现在所谓的 低阻抗接地方式，与过去的概念截然不同了．且 其上限不得超过 30A。我国从法国进 口的大容量 发电机和英国CEGB火电厂的50万 KW的发电 机，中性点均属这一接地方式，一旦发电机内发 生单相接地故障，铁芯迭片的熔化焊接或部分烧 损是较难避免的。上述征询报告中谈到，只有一 家公司在回复中称．6台机组的中性点采用高电 阻接地方式，将接地故障电流限制到l500A。实 际上，这恐陷早已过时了。 3、不接地 发电机的中性点不接地运行，当定子绕组发 生单相接地时，流过故障点的电流仅为很小的电 容电流，有效地限制了接地电流的破坏作用。对 于直配发电机来说，大大减少了线路园接地短路 引起的跳闸事故。由于发电机中性点不接地运行 具有一定优点，到目前为止我国和前苏联以及世 维普资讯 http://www.cqvip.com 界其它一些国家的许多发电机，中性点仍采用这 一 接地方式。但是，随着机组容量的增大和运行 电压的升高，当电容电流接近或达到某一临界值 时，接地电弧不能自行熄灭．电弧接地过电压又 会产生新的危害。必须指出，由于以前电弧接地 过电压的理论尚不完善，不恰当地估计了此种过 电压的危害性，给中性点接地方式的选择．带来 了长期的不利影响。实践经验证明 ，短时间的电 弧过电压和较多时间√ 3倍的工颜过电压，发 电机的绝缘是可以耐受的。特别是大型机组常用 的环氧云母粉绝缘，其积累和老化效应很不明 显，可以忽略不计口]。这与美国西屋电气公司的 实践经验是一致的。 随着机组容量的增大，铁芯烧损后果严重， 所以允许的接地故障电流日趋减少。目前这一接 地方式的应用，依然受到接地电容电流的限制． 但概念与过去不同 过去规程规定 5A为分界 线，小于此值时中性点不接地运行．大于此位时 中性点经消弧线圈接地运行。经笔者研究，认为 应以安全接地电流为 (详后) 这掸当在发 电机内部发生单相接地故障时，接地电弧可以瞬 间熄灭．不仅可以降低电弧接地过电压．而且即 使发电机短时间带故障运行．铁芯迭片熔化焊接 现象也不会发生。该点已往运行经验证明。例如 zY电力系统中有一台TB【I)一120—2型的氯冷 汽轮发电机，容量为 l 20MVA，额定电压为 l0．5kV，发电机变压器组单元接线，l0．5kV部分 的电容电流为3．75A，茇电机定子线棒为环氧云 母粉绝缘，中性点不接地运行。1981年 1月 l8 日，该机带 80~98MW 的有动和50~52MVA的 无功运行，定子温度为 33~56℃，园C相绝缘击 穿带故障运行 2小时 J3分钟，待负荷转移后手 动退出运行 经检查发现靠近端部的上层线棒， 位于第4通风槽的的上表面，绝缘因严重密损导 致对铁芯击穿，0．5mm厚、长约3cm的半导体垫 条烧成碎粉，而且约 1ocm长的酚醛玻璃布板严 重过热，即使如此，既未转变成相间短路．叉未 引起非故障相的绝缘击穿。铁芯也没有烧损，未 给检修造成困难。由此可见，只要故障点不建立 电弧，铁芯烧损现象是可以避免的。 4、高电阻接地 中性点经高电阻接地的主要目的，是限制接 地电弧重燃、中性点出现的积累性电压升高，从 而降低电弧接地过电压。可是由于此种过电压理 论上的修正，绝缘材料和制造工艺的更新，安全 接地电流概念的建立．以及定子绕组全 (100 ) 接地继电保护的实现等．高电阻接地方式已 经不相适应 了。 可是由于 E述历史原因，发电机的中性点经 高电阻接地，在美国等一些国家已经形成一种惯 例[3]。从过电压方面考虑，高电阻接地方式的暂 态过电压并非最低；当发生单相接地故障时，由 于电流与电压的互换特性，中性点位移电压与健 全相上的工频电压升高，中性点不接地、经高电 阻接地和谐振接地方式三者基本相同；就传递过 电压而论，谐振接地只要合理调谐发电机中性点 的消弧线圈，同样可以防止出现危险的过电压． 可见。高电阻接地方式在过电压方面并非独具优 点。 发电机中性点经高电阻接地方式有许多方 案，其中以单相配电变压器的方案为最优．虽然 克服了上述接地方式中的一些缺点，但问题远未 囝满解决。有些问题值得进一步研究．除接地继 电保护存在 “死”医外．接地故障电流数倍乃至 十数倍地超过发电机的安全接地电流，暂态接地 电流更大．即使短时间跳开故障的发电机 铁芯 迭片的熔化焊接现象电很碓避免，同时还会饴 电 力系统的运行带来严重危害，尤其是小网大机情 况。 国际大电网会议的征询报告中明确指出： “在我们调研的基础上可以得出这一结论．即机 组的绝对多数 (99 )的广大用户．在选择中性 点接地方式时主张把接地电流保持在非常低的 水平”。实际上，这点是高电阻接地方式无法办 到的。因为高电阻接地方式无法减小接地电容电 流．相反在大多数情况下是增大接地故障电流， 至多不过是维持相等。这是高电阻接地方式固有 的一大缺点。 此外．我国投入运行的 300MVA及以上的 水轮发电机，电容电流高达 18~24A，高电阻接 · 3· 维普资讯 http://www.cqvip.com 地方式已经不复适用了。只有采用谐振接地方式 才有可能将接地故障电流保持在国内外用户普 遍希望的低水平。 5、消弧线圈 (谐振)接地 世界上第一台消弧线圈．于 191 7年在德国 Pleidelsheim电厂发电机的中性点投入运行。随 着理论和实践的不断充实，谐振接地逐渐在世界 各地得到 了广泛的应用。仅就发电机的中性点 而论，我国和前苏联除电容电流较小的发电机中 性点不接地运行外，其余太容量的水轮和汽轮发 电机，以及捷克斯洛伐克电容电流超过 1．5～ 1．0A的发电机、欧洲的部分发电机和美国新英 格兰电力系统中的所有发电机，中性点全部经消 弧线圈接地运行 ]，长期以来效果良好．但是， 征询报告中除谈到美国新英格兰电力公司的情 况外，其他国家或地区的情况井未述及。勿庸置 疑，谐振接地方式已经成为足以与高电阻接地 方式匹敌的另一大分支。 美国AIEE旋转电机专业委员会．过去曾经 在 “同步发电机系统接地方式应用指南”中，明 确指出发电机中性点谐振接地方式具有三个优 点： (1)限制发电机绕组中的机械应力； (2)限制暂态过电压； (3)限制故障点的损伤等。 一 又指出，许多发电机实际上是电缆系统，所 以大部分接地故障可能是永久性的。大多数运行 @ 牛一8 人员认为，如果发电机出现一点接地，应当立刻 退出运行。若采用消弧线圈接地，则应提供适当 的继电保护，以便迅速跳开一点接地的发电机。 可见，美国不采用谐振接地方式，主要是继电保 护存在困难i-“。近来在在与美国有关的代表团一 次谈判中，又证实了这一问题。其实，电缆的接 地故障，—般是电阻性故障，谐振接地能够预先 显示出来，及时注意可避免绝缘击穿；如果一旦 击穿，介质困局部过热蒸发，除产生压力去游离 外，油或绝缘胶介质还会充填击穿通道，使绝缘 强度恢复；即使再度击穿，故障也是从原始状态 重新开始。交联聚乙烯电缆绝缘的击穿，通道为 水树枝或电化树枝状的，消弧线圈同样能限制其 破坏程度，防止或减少相问短路事故的发生。这 些均被运行经验所证实。再者，防止发电机铁芯 的烧损，并非是只有瞬间跳开发电机才是最安全 的；实际上，只有将接地故障电流限制到安全接 地电流范围之内，方能达到真正安全的目的，这 样同时提高了发电机和电力系统的运行可靠性。 纵观发电机中持点接地方式的发展历史和 不同中性点接地方式的特征，不难看出零序阻抗 逐渐增大．接地电流日趋减小，这便是大型发电 机中性．电接地方式发展的一种趋势。现在，随着 定子绕组 iO0 接地保护l可题的解决．谐振接地 方式必然会越加广泛的得到应用。 (未完待续) 注 ：参考文献在下期 发表。 。卡 ，，带电剐嫩 ， 造／ 卡表式带电测试仪研制 TM 、 福建省电力试验研究所 堡三 盐 (350007) 卡表带电测试仪比固定式在线检测仪来 说，有价格低、维护方便、节省安装费用的优点； 其通用性强，灵敏度高，抗干扰能力强，使用方 便． 其主要技术指标为： ·4‘ (1)、电流测量范围：300~A～300mA (2)、分散性：2 (3)、分辨率：300~A～ 9 ，不低于 10#．4 i ～ 30Om ，不低于 0．ImA ({)、误差 ：2 维普资讯 http://www.cqvip.com