發電機中性點高阻接地的優點
發布時間：2023-10-22 點擊：198
發電機中性點高阻接地的優點
發電機中性點經接地變壓器高阻接地方式，由配電變壓器和變壓器二次側并聯電阻構成，經隔離開關接入發電機中性點。可根據不同的保護方案配置不同的保護裝置。康明斯發電機廠家下面在本文中就主要的設備變壓器和電阻器的選擇計算進行相應的闡述。
一、接地變壓器
1、接地變壓器型式選擇
接地變壓器為單相配電型變壓器，所以也稱配電變壓器，由于其二次側并聯電阻，所構成的接地方式也稱配電變高阻接地方式。
根據運行情況，接地變壓器可選擇油浸式變壓器或干式變壓器。油浸變壓器防潮性和絕緣性好，耐受電壓高，但防火要求高，不便于布置；干式變壓器有敞露線圈的普通干式變壓器和環氧澆注式變壓器兩種，較油浸變壓器要貴。環氧澆注式變壓器不適合突然過負荷的情況，但不受環境的影響；普通干式變壓器由于線圈敞露，受環境與空氣影響較大，容易受潮、積灰，所以要求更高的絕緣性能，但對防火的要求相對較低，能設置在箱體內。環氧樹脂與填料混合澆注干式變壓器散熱條件差，所以長期過負荷能力不如油浸式，但干式變壓器線圈的電流密度小，對于接近絕熱過程的短時過負荷能力比油浸式強。新型的干式變壓器為玻璃纖維全纏繞環氧樹脂真空澆注，具有散熱性能好、體積小、過載能力大、絕緣水平高的特點。
因接地變壓器多數時間運行在接近空載狀態下，過負荷時間較短，綜合以上因素，宜選干式變。當然，宜選已有生產經驗定型生產的干式變型式，進行經濟技術比較后確定。
圖1 發電機接地變壓器結構圖
圖2 發電機接地變壓器原理圖
2、接地變壓器電壓選擇
（1）變壓器額定電壓值
接地變壓器一次線圈的最高運行電壓為發電機單相接地短路時中性點的對地電壓。發電機單相接地短路時中性點的對地電壓最大為相電壓，即允許相電壓1.05 ex。從有關的發電機中性點接地仿真模擬實驗結果看，發電機中性點變壓器一次側電壓采用相電壓和采用高于相電壓的兩種情況，對暫態過電壓的影響幾乎沒有差別。當機組甩負荷或故障疊加時，發電機中性點可能出現1.5倍相電壓的過渡電壓。所以，對于18kv級以下的發電機，為留有余地，防止變壓器過飽和，接地變一次側額定電壓按發電機線電壓選定。因為這樣必將使變壓器容量的冗余度大，所以對于18kv級及以上的發電機，為節約投資，可選用發電機相電壓為接地變的一次側額定電壓值，其額定電壓即為發電機相電壓。
接地變二次側電壓，按國家標稱電壓的標準，可選0.4kv或0.23kv電壓級，也可根據電阻材料截面積及繞制方式統一考慮確定。為滿足繼電保護測量電壓的需要，在接地變壓器可能出現最高電壓時，使空載抽頭電壓等于二次儀用標稱電壓100v。當發電機額定電壓為un，變壓器一次側標稱電壓為u1，變壓器二次側標稱電壓為時u2，變壓器變比
kb=u1÷u2=un÷100√3.............................(公式1)
（2）變壓器工頻耐壓值
變壓器工頻耐壓值可按兩種方法選擇。一種是按發電機工頻1分鐘耐壓選取。發電機繞組為全絕緣結構，工頻1分鐘耐壓值根據國標《gb-755-87》規定：“容量小于或等于10mw的機組，試驗電壓為(2un+1000)v；大于10mw的機組，試驗電壓為(標稱電壓為6000-17000v)(2un+3000)v”。另一種接地方法是根據發電機中性點接入負載電阻限制過電壓的水平決定的。一般接地電阻的選取，使電阻功率等于電容消耗功率，此時暫態過電壓不大于相電壓峰值的2.6倍，即發電機額定電壓的1.5倍。在選擇接地變耐壓值時預留15%的裕度，2.6*1.15=3ux，即3倍的相電壓。
由于發電機中性點接地裝置的投資遠比發電機投資小，接地變壓器提高一級耐壓值，投資增加有限(一般約為變壓器投資的10%)，所以一般按第一種方法選擇是合適的。當然，具體問題還要具體分析。
3、接地變壓器容量的選擇
接地變壓器容量選擇，可先按連續工作計算負荷，再按變壓器短時過載能力確定容量。
（1）連續工作計算負荷設接地變負載電阻一次側值為r，額定電壓為u1，電流值為ir，則變壓器計算容量
sn=u1÷r............................（公式2）
當接地電阻選擇按單相短路接地時電阻功率等與電容功率計算，流過接地變的電流ir等于發電機回路對地總的電容電流ic，即r=13ωco，得
sn=u1ir=u1（un÷√3r）=u1（3un÷√3r）ωc0=√3unu1ωc0（mva）............................（公式3）
式中，un——發電機額定電壓，kv；
c0——發電機電壓回路每相對地電容，f；
ω——發電機角頻率，ω=2πf。
（2）接地變壓器短時過負荷倍數的確定
接地變長期運行在接近空載狀態，即處于發電機三次諧波和傳遞過電壓的微載狀態，當發生接地等不對稱故障時，變壓器運行時間取決于所在回路繼電保護確定的允許帶故障運行時間。一般大中型機組均采用故障保護動作跳閘停機，時間非常短。所以在選擇變壓器容量時，要考慮變壓器的短時過負荷能力。
一般工程均按1分鐘考慮過負荷運行時間，過負荷系數k差異較大，受變壓器型式和機組大小的影響，k=3~6。
若接地變一次額定電壓u1為發電機額定電壓un，考慮過負荷系數k后，由公式(3)得接地變壓器容量
sn= √3unu1ωc0÷k = √3u2nωc0÷k （mva）............................（公式4）
若接地變一次額定電壓u1為發電機相電壓ux，上式變為
sn= √3unuxωc0÷k =√3u2nωc0÷k（mva）............................（公式5）
上面給出的公式，是以ir等于電容電流ic，即r=1/3ωco為前提條件的。如果電阻選擇為了限制接地故障電流或為了滿足繼電保護裝置動作值的要求，必有r≠1/3ωco，此時要以實際電流ir代入公式(2)計算變壓器容量，一般不再考慮過負荷系數k。
二、接地變二次負載電阻器
1、接地電阻值的選取
發電機中性點采用高阻接地，一要限制弧光接地過電壓的倍數，二要限制故障電流，同時滿足繼電保護的要求。接地電阻值的選取無疑也是從這兩點出發的。
接地電阻測量如圖3所示，測量時在被測的土壤中沿直線插入四根探針，并使各探針間距相等，各間距的距離為l，要求探針入地深度為l/20cm，用導線分別從c1、p1、p2、c2各端子與四根探針相連接。若地阻儀測出電阻值為r，則土壤電阻率按下式計算：
ф=2πrl
其中，ф——土壤電阻率（ω·cm）；
l——探針與探針之間的距離(cm)；
r——地阻儀的讀數（ω）；
用此法測得的土壤電阻率可近似認為是被埋入探針之間區域內的平均土壤電阻率。
圖3 發電機接地土壤電阻率.
圖4 發電機接地電阻測試
（1）按暫態過電壓選取電阻值
發電機在大修前及局部更換繞組后，其交流耐壓標準為額定電壓的工1.5倍。因此在運行中，1.5un=2.6ux及以下過電壓被認為是安全的，一般作用于發電機的過電壓不宜超過2.6倍相電壓。
理論分析計算和仿真實驗結果得出，當中性點電阻消耗功率等于發電機電壓回路電容消耗功率時，發電機弧光過電壓和機組故障甩負荷過電壓不大于發電機相電壓的2.6倍，此時發電機電阻值等于或近似等于發電機電壓回路對地總容抗，即
r=xc0=1/3ωc0(ω)............................（公式6）
式中，xc0－發電機電壓回路對地總容抗，ω。
表1是3組大型發電機在不同接地電阻值下，發生單相接地故障時產生弧光接地過電壓倍數表。
表1中性點不同電阻值與暫態過電壓關系
接地電流
最大值
io(a)
中性點接地
電阻
r(ω)
電容c0=1.81μf
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發電機中性點經接地變壓器高阻接地方式，由配電變壓器和變壓器二次側并聯電阻構成，經隔離開關接入發電機中性點。可根據不同的保護方案配置不同的保護裝置。康明斯發電機廠家下面在本文中就主要的設備變壓器和電阻器的選擇計算進行相應的闡述。
一、接地變壓器
1、接地變壓器型式選擇
接地變壓器為單相配電型變壓器，所以也稱配電變壓器，由于其二次側并聯電阻，所構成的接地方式也稱配電變高阻接地方式。
根據運行情況，接地變壓器可選擇油浸式變壓器或干式變壓器。油浸變壓器防潮性和絕緣性好，耐受電壓高，但防火要求高，不便于布置；干式變壓器有敞露線圈的普通干式變壓器和環氧澆注式變壓器兩種，較油浸變壓器要貴。環氧澆注式變壓器不適合突然過負荷的情況，但不受環境的影響；普通干式變壓器由于線圈敞露，受環境與空氣影響較大，容易受潮、積灰，所以要求更高的絕緣性能，但對防火的要求相對較低，能設置在箱體內。環氧樹脂與填料混合澆注干式變壓器散熱條件差，所以長期過負荷能力不如油浸式，但干式變壓器線圈的電流密度小，對于接近絕熱過程的短時過負荷能力比油浸式強。新型的干式變壓器為玻璃纖維全纏繞環氧樹脂真空澆注，具有散熱性能好、體積小、過載能力大、絕緣水平高的特點。
因接地變壓器多數時間運行在接近空載狀態下，過負荷時間較短，綜合以上因素，宜選干式變。當然，宜選已有生產經驗定型生產的干式變型式，進行經濟技術比較后確定。
圖1 發電機接地變壓器結構圖
圖2 發電機接地變壓器原理圖
2、接地變壓器電壓選擇
（1）變壓器額定電壓值
接地變壓器一次線圈的最高運行電壓為發電機單相接地短路時中性點的對地電壓。發電機單相接地短路時中性點的對地電壓最大為相電壓，即允許相電壓1.05 ex。從有關的發電機中性點接地仿真模擬實驗結果看，發電機中性點變壓器一次側電壓采用相電壓和采用高于相電壓的兩種情況，對暫態過電壓的影響幾乎沒有差別。當機組甩負荷或故障疊加時，發電機中性點可能出現1.5倍相電壓的過渡電壓。所以，對于18kv級以下的發電機，為留有余地，防止變壓器過飽和，接地變一次側額定電壓按發電機線電壓選定。因為這樣必將使變壓器容量的冗余度大，所以對于18kv級及以上的發電機，為節約投資，可選用發電機相電壓為接地變的一次側額定電壓值，其額定電壓即為發電機相電壓。
接地變二次側電壓，按國家標稱電壓的標準，可選0.4kv或0.23kv電壓級，也可根據電阻材料截面積及繞制方式統一考慮確定。為滿足繼電保護測量電壓的需要，在接地變壓器可能出現最高電壓時，使空載抽頭電壓等于二次儀用標稱電壓100v。當發電機額定電壓為un，變壓器一次側標稱電壓為u1，變壓器二次側標稱電壓為時u2，變壓器變比
kb=u1÷u2=un÷100√3.............................(公式1)
（2）變壓器工頻耐壓值
變壓器工頻耐壓值可按兩種方法選擇。一種是按發電機工頻1分鐘耐壓選取。發電機繞組為全絕緣結構，工頻1分鐘耐壓值根據國標《gb-755-87》規定：“容量小于或等于10mw的機組，試驗電壓為(2un+1000)v；大于10mw的機組，試驗電壓為(標稱電壓為6000-17000v)(2un+3000)v”。另一種接地方法是根據發電機中性點接入負載電阻限制過電壓的水平決定的。一般接地電阻的選取，使電阻功率等于電容消耗功率，此時暫態過電壓不大于相電壓峰值的2.6倍，即發電機額定電壓的1.5倍。在選擇接地變耐壓值時預留15%的裕度，2.6*1.15=3ux，即3倍的相電壓。
由于發電機中性點接地裝置的投資遠比發電機投資小，接地變壓器提高一級耐壓值，投資增加有限(一般約為變壓器投資的10%)，所以一般按第一種方法選擇是合適的。當然，具體問題還要具體分析。
3、接地變壓器容量的選擇
接地變壓器容量選擇，可先按連續工作計算負荷，再按變壓器短時過載能力確定容量。
（1）連續工作計算負荷設接地變負載電阻一次側值為r，額定電壓為u1，電流值為ir，則變壓器計算容量
sn=u1÷r............................（公式2）
當接地電阻選擇按單相短路接地時電阻功率等與電容功率計算，流過接地變的電流ir等于發電機回路對地總的電容電流ic，即r=13ωco，得
sn=u1ir=u1（un÷√3r）=u1（3un÷√3r）ωc0=√3unu1ωc0（mva）............................（公式3）
式中，un——發電機額定電壓，kv；
c0——發電機電壓回路每相對地電容，f；
ω——發電機角頻率，ω=2πf。
（2）接地變壓器短時過負荷倍數的確定
接地變長期運行在接近空載狀態，即處于發電機三次諧波和傳遞過電壓的微載狀態，當發生接地等不對稱故障時，變壓器運行時間取決于所在回路繼電保護確定的允許帶故障運行時間。一般大中型機組均采用故障保護動作跳閘停機，時間非常短。所以在選擇變壓器容量時，要考慮變壓器的短時過負荷能力。
一般工程均按1分鐘考慮過負荷運行時間，過負荷系數k差異較大，受變壓器型式和機組大小的影響，k=3~6。
若接地變一次額定電壓u1為發電機額定電壓un，考慮過負荷系數k后，由公式(3)得接地變壓器容量
sn= √3unu1ωc0÷k = √3u2nωc0÷k （mva）............................（公式4）
若接地變一次額定電壓u1為發電機相電壓ux，上式變為
sn= √3unuxωc0÷k =√3u2nωc0÷k（mva）............................（公式5）
上面給出的公式，是以ir等于電容電流ic，即r=1/3ωco為前提條件的。如果電阻選擇為了限制接地故障電流或為了滿足繼電保護裝置動作值的要求，必有r≠1/3ωco，此時要以實際電流ir代入公式(2)計算變壓器容量，一般不再考慮過負荷系數k。
二、接地變二次負載電阻器
1、接地電阻值的選取
發電機中性點采用高阻接地，一要限制弧光接地過電壓的倍數，二要限制故障電流，同時滿足繼電保護的要求。接地電阻值的選取無疑也是從這兩點出發的。
接地電阻測量如圖3所示，測量時在被測的土壤中沿直線插入四根探針，并使各探針間距相等，各間距的距離為l，要求探針入地深度為l/20cm，用導線分別從c1、p1、p2、c2各端子與四根探針相連接。若地阻儀測出電阻值為r，則土壤電阻率按下式計算：
ф=2πrl
其中，ф——土壤電阻率（ω·cm）；
l——探針與探針之間的距離(cm)；
r——地阻儀的讀數（ω）；
用此法測得的土壤電阻率可近似認為是被埋入探針之間區域內的平均土壤電阻率。
圖3 發電機接地土壤電阻率.
圖4 發電機接地電阻測試
（1）按暫態過電壓選取電阻值
發電機在大修前及局部更換繞組后，其交流耐壓標準為額定電壓的工1.5倍。因此在運行中，1.5un=2.6ux及以下過電壓被認為是安全的，一般作用于發電機的過電壓不宜超過2.6倍相電壓。
理論分析計算和仿真實驗結果得出，當中性點電阻消耗功率等于發電機電壓回路電容消耗功率時，發電機弧光過電壓和機組故障甩負荷過電壓不大于發電機相電壓的2.6倍，此時發電機電阻值等于或近似等于發電機電壓回路對地總容抗，即
r=xc0=1/3ωc0(ω)............................（公式6）
式中，xc0－發電機電壓回路對地總容抗，ω。
表1是3組大型發電機在不同接地電阻值下，發生單相接地故障時產生弧光接地過電壓倍數表。
表1中性點不同電阻值與暫態過電壓關系
接地電流
最大值
io(a)
中性點接地
電阻
r(ω)
電容c0=1.81μf
同步交流發電機有哪些不同的類型？
柴油發電機組的連接盤裝配
柴油發電機組運行冒白、藍、黑色煙各是什么情況？
工程用柴油機消防泵組產品簡介
導致柴油發電機配件瓦燒的哪些原因
關于備用發電機的一些常見問題匯總
柴油發電機組與防雷接地網之間的連接方式
康明斯發電機組智能控制系統管理軟件平臺