并列運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地研究

摘要：在國(guó)外大中型發(fā)電廠中，經(jīng)常采用柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源。根據(jù)啟動(dòng)負(fù)荷的大小，需要多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)并列運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的分析與研究，給出推薦的柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方案。

關(guān)鍵詞：;中性點(diǎn)接地方式;并列運(yùn)行;柴油發(fā)電機(jī);黑啟動(dòng)

1 引言

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式是決定系統(tǒng)運(yùn)行方式，防止系統(tǒng)事故的重要因素，也是電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)電廠采用柴油發(fā)電機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源時(shí)，根據(jù)啟動(dòng)負(fù)荷的大小，需要多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行。多臺(tái)并列運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方式選擇，是黑啟動(dòng)電源設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，也是柴油發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文以沙特某新建聯(lián)合循環(huán)電站為例，對(duì)并列運(yùn)行的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行分析，并給出推薦的柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方案。

2 工程概況

本項(xiàng)目為沙特阿拉伯某新建聯(lián)合循環(huán)電站工程，設(shè)計(jì)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目新建5個(gè)Block單元，每個(gè)Block單元為811MW，每個(gè)單元配置2臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)、2臺(tái)余熱鍋爐、1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)分布通過(guò)升壓變壓器升壓后接入380kV電網(wǎng)。本項(xiàng)目設(shè)置了8臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，并列運(yùn)行，作為電站及附近工廠黑啟動(dòng)電源及保安電源。

3 柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式分析

3.1柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇

中性點(diǎn)接地方式的選擇，與系統(tǒng)的電壓等級(jí)、單相接地短路電流、過(guò)電壓保護(hù)與絕緣配合、繼電保護(hù)配置、設(shè)備選型等有關(guān)。

3.1.1 柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地型式

根據(jù)IEEE Std 665-1995《發(fā)電廠接地導(dǎo)則》5.3.1條規(guī)定，常用的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地型式及其分析如下：

（1） 高電阻接地（經(jīng)配電變壓器接地），

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)單相變壓器接地，電阻接在此變壓器二次側(cè)。主要用于柴油發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地。此方式下接地短路電流被限制在5～10A。

（2） 高電阻接地（經(jīng)中性點(diǎn)電阻接地）

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接經(jīng)高電阻接地。其作用與接地方式1等同。

（3） 低電阻接地（經(jīng)中性點(diǎn)電阻接地）

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接經(jīng)低電阻接地，適用于柴油發(fā)電機(jī)不經(jīng)升壓變壓器直接與系統(tǒng)相連，可以承受數(shù)百安的接地短路電流，保證了接地保護(hù)可靠動(dòng)作

（4） 低電抗接地（經(jīng)中性點(diǎn)電抗接地）

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)電抗接地，和中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地類似，此接地方式可承受較大的單相接地短路電流。

（5） 諧振接地（經(jīng)接地故障全中和器接地）

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地故障全中和器接地，同過(guò)單相變壓器二次側(cè)的電抗器來(lái)限制并消除接地短路電流，甚至將接地固定電流消除為零。主要用于柴油發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地。

（6） 高電阻接地（經(jīng)接地變壓器接地）

此接地方式應(yīng)用于無(wú)中性點(diǎn)引出的角形繞組的柴油發(fā)電機(jī)，通過(guò)接地變二次側(cè)電阻限制接地短路電流。

（7） 中電阻接地（經(jīng)接地變壓器接地）

此接地方式與方式6類似。

（8） 不接地

即柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地，僅允許比其他接地方式更小的接地短路電流，且在開(kāi)關(guān)操作或電弧接地故障時(shí)，易產(chǎn)生過(guò)大的瞬態(tài)過(guò)電壓，因此，較少采用。

本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)繞組為Y型接線，且所有柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)黑啟動(dòng)母線直接與廠用中壓母線相連，非柴油發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線。因此，柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式可初步考慮選用以下接地方式：

- 阻接地（經(jīng)中性點(diǎn)電阻接地;

- 阻接地（經(jīng)中性點(diǎn)電阻接地）;

- 抗接地（經(jīng)中性點(diǎn)電抗接地）;

3.1.2柴油發(fā)電機(jī)單相接地短路電流計(jì)算

經(jīng)短路電流計(jì)算，本項(xiàng)目單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)單相短路電流為125A，8臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)總接地短路電流為125A×8=1000A。

根據(jù)IEEE std C37.101-2006《柴油發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則》第5條表2可知：

接地故障電流為400～1200A時(shí)，采用柴油發(fā)電機(jī)低電阻接地，不僅可以降低三次諧波電流的幅值，而且有效地減小了接地故障電流。

根據(jù)IEEE std C62.92.2-2017《電氣系統(tǒng)中性點(diǎn)接地應(yīng)用導(dǎo)則.第二部分：同步柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地》3.2.1條規(guī)定，在柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和地之間接入低電阻或接地變壓器，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)低電阻接地，相對(duì)高電阻接地而言，有更小的暫態(tài)過(guò)電壓。

綜上所述，本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)計(jì)采用經(jīng)低電阻接地。電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，增大零序電抗，限制單相接地短路電流，同時(shí)又能提供足夠的電流和零序電壓，便于接地保護(hù)可靠動(dòng)作。

3.2中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式

柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)如何運(yùn)行，是本節(jié)研究的重點(diǎn)。

多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列時(shí)，若每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)分別經(jīng)電阻接地。在短路計(jì)算時(shí)，總零序阻抗為單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)零序阻抗的1/8，計(jì)算的單相接地短路電流較單臺(tái)急劇增加;并且多點(diǎn)接地時(shí)繼電保護(hù)比較復(fù)雜。因此，在柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，不推薦采用分別經(jīng)電阻多點(diǎn)接地，即每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不能同時(shí)接地。

根據(jù)IEEE 142《工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)接地推薦實(shí)施規(guī)程》1.6.6條規(guī)定，當(dāng)多個(gè)接地電阻接地后，若總接地故障電流超過(guò)1000A，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)不能同時(shí)接地，應(yīng)將多個(gè)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)連接到一個(gè)公用中性點(diǎn)接地母線，公用中性點(diǎn)接地母線再經(jīng)阻抗接地。

根據(jù)IEEE Std C62.92.2-2017《電氣系統(tǒng)中性點(diǎn)接地應(yīng)用導(dǎo)則.第二部分：同步柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地》5.3條規(guī)定，2臺(tái)及以上柴油發(fā)電機(jī)接于柴油發(fā)電機(jī)電壓母線時(shí)，應(yīng)避免采用柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變接地的接線，選用了以下兩種中性點(diǎn)接地方案：

方案一：僅有1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地，其余柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地。此時(shí)，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻有以下兩種設(shè)計(jì)方案：

（1）僅有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)置接地電阻，其余柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不設(shè)置接地電阻;

（2）每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)均設(shè)置接地電阻;

很顯然，（1）接地電阻設(shè)計(jì)方式不可取，原因是若此臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行時(shí)，其相應(yīng)設(shè)置的中性點(diǎn)電阻也應(yīng)當(dāng)隨之退出運(yùn)行，則會(huì)造成柴油發(fā)電機(jī)組失去中性點(diǎn)。因此，應(yīng)考慮每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)均配置接地電阻，但僅有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地電阻投入運(yùn)行。為此，應(yīng)在每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與接地電阻之間設(shè)置隔離裝置。

方案二：所有柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接到一個(gè)公用中性點(diǎn)接地母線，公用中性點(diǎn)接地母線經(jīng)惟一電阻或電抗接地。由于機(jī)組特性和外部回路差異，若柴油發(fā)電機(jī)與公用中性點(diǎn)接地母線直接連接，則由于電壓差在中性線中產(chǎn)生環(huán)流，容易引起保護(hù)誤動(dòng)作。因此，為避免產(chǎn)生環(huán)流，同時(shí)，當(dāng)某一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行時(shí)，其對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)也應(yīng)與公用中性點(diǎn)接地母線斷開(kāi)，故每個(gè)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)應(yīng)考慮設(shè)置隔離裝置。

另外，當(dāng)中性點(diǎn)接地的柴油發(fā)電機(jī)因故退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)隔離裝置要在前一臺(tái)的柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)退出運(yùn)行時(shí)閉合。若隔離裝置采用手動(dòng)操作隔離開(kāi)關(guān)，兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)電阻切換期間，則存在連續(xù)安全操作的風(fēng)險(xiǎn)，柴油發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)由經(jīng)電阻接地變?yōu)椴唤拥?。因此，為防止柴油發(fā)電機(jī)失去中性點(diǎn)，無(wú)論采用方案一還是方案二，柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)隔離裝置宜采用電動(dòng)操作的隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、真空接觸器等，以實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)接地的快速、自動(dòng)切換，保證中性點(diǎn)接地連續(xù)、惟一。

5. 小結(jié)

綜上所述，當(dāng)發(fā)電廠黑啟動(dòng)電源為多臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，需根據(jù)接地電流大小，合理選擇中性點(diǎn)接地方式，無(wú)特殊要求時(shí)，推薦采用低電阻接地方式，并采用以下兩種接線的接地方案：

（1）每臺(tái)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)連接到一個(gè)中性點(diǎn)母線，中性點(diǎn)母線經(jīng)唯一電阻接地。

（2）僅1臺(tái)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，其余發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地。

以上兩種方案均應(yīng)在每個(gè)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)置電動(dòng)操作的隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、真空接觸器等切換隔離裝置，防止中性點(diǎn)失地，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的靈活控制，提高運(yùn)行的安全性和檢修的便利性。

作者簡(jiǎn)介

何曉慶，工程師，青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司從事大中型火力發(fā)電廠、光熱發(fā)電站、聯(lián)合循環(huán)電站、光伏/風(fēng)力發(fā)電站、變電站、海水淡化工程等工程的電氣一次專業(yè)設(shè)計(jì)與技術(shù)研發(fā)工作。