摘要：所謂接地形式，實(shí)際上指的是電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式，為便于分析，根據(jù)產(chǎn)生電能原理的不同把DG分為兩類：一類具有轉(zhuǎn)子/定子結(jié)構(gòu)，通過電磁感應(yīng)原理把軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，如及柴油發(fā)電機(jī)組等，這一類DG自身具備中性點(diǎn)，可以引出中性導(dǎo)體，保護(hù)導(dǎo)體PE(ProtectiveConductor)可以與中性點(diǎn)直接聯(lián)結(jié)，既能配置為中性點(diǎn)直接接地的TN系統(tǒng)，也能配置為中性點(diǎn)浮空的IT系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器高阻接地方式，由配電變壓器和變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻構(gòu)成，經(jīng)隔離開關(guān)接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)?？筛鶕?jù)不同的保護(hù)方案配置不同的保護(hù)裝置。康明斯發(fā)電機(jī)廠家下面在本文中就主要的設(shè)備變壓器和電阻器的選擇計(jì)算進(jìn)行相應(yīng)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(cè)并聯(lián)電阻，所構(gòu)成的接地方式也稱配電變高阻接地方式。

      根據(jù)運(yùn)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(huán)氧澆注式變壓器兩種，較油浸變壓器要貴。環(huán)氧澆注式變壓器不適合突然過負(fù)荷的情況，但不受環(huán)境的影響；普通干式變壓器由于線圈敞露，受環(huán)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(duì)防火的要求相對(duì)較低，能設(shè)置在箱體內(nèi)。環(huán)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(fù)荷能力不如油浸式，但干式變壓器線圈的電流密度小，對(duì)于接近絕熱過程的短時(shí)過負(fù)荷能力比油浸式強(qiáng)。新型的干式變壓器為玻璃纖維全纏繞環(huán)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(diǎn)。

      因接地變壓器多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在接近空載狀態(tài)下，過負(fù)荷時(shí)間較短，綜合以上因素，宜選干式變。當(dāng)然，宜選已有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)定型生產(chǎn)的干式變型式，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定。

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(yùn)行電壓為發(fā)電機(jī)單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對(duì)地電壓。發(fā)電機(jī)單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對(duì)地電壓最大為相電壓，即允許相電壓1.05 E_x。從有關(guān)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)變壓器一次側(cè)電壓采用相電壓和采用高于相電壓的兩種情況，對(duì)暫態(tài)過電壓的影響幾乎沒有差別。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或故障疊加時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)可能出現(xiàn)1.5倍相電壓的過渡電壓。所以，對(duì)于18kV級(jí)以下的發(fā)電機(jī)，為留有余地，防止變壓器過飽和，接地變一次側(cè)額定電壓按發(fā)電機(jī)線電壓選定。因?yàn)檫@樣必將使變壓器容量的冗余度大，所以對(duì)于18kV級(jí)及以上的發(fā)電機(jī)，為節(jié)約投資，可選用發(fā)電機(jī)相電壓為接地變的一次側(cè)額定電壓值，其額定電壓即為發(fā)電機(jī)相電壓。

      接地變二次側(cè)電壓，按國家標(biāo)稱電壓的標(biāo)準(zhǔn)，可選0.4kV或0.23kV電壓級(jí)，也可根據(jù)電阻材料截面積及繞制方式統(tǒng)一考慮確定。為滿足繼電保護(hù)測(cè)量電壓的需要，在接地變壓器可能出現(xiàn)最高電壓時(shí)，使空載抽頭電壓等于二次儀用標(biāo)稱電壓100V。當(dāng)發(fā)電機(jī)額定電壓為U_N，變壓器一次側(cè)標(biāo)稱電壓為U₁，變壓器二次側(cè)標(biāo)稱電壓為時(shí)U₂，變壓器變比

K_B = U₁ ÷U₂ = U_N ÷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(fā)電機(jī)工頻1分鐘耐壓選取。發(fā)電機(jī)繞組為全絕緣結(jié)構(gòu)，工頻1分鐘耐壓值根據(jù)國標(biāo)《GB-755-87》規(guī)定：“容量小于或等于10MW的機(jī)組，試驗(yàn)電壓為(2U_N+1000)V；大于10MW的機(jī)組，試驗(yàn)電壓為(標(biāo)稱電壓為6000-17000V)(2U_N+3000)V”。另一種接地方法是根據(jù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接入負(fù)載電阻限制過電壓的水平?jīng)Q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(shí)暫態(tài)過電壓不大于相電壓峰值的2.6倍，即發(fā)電機(jī)額定電壓的1.5倍。在選擇接地變耐壓值時(shí)預(yù)留15%的裕度，2.6*1.15=3U_x，即3倍的相電壓。

      由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置的投資遠(yuǎn)比發(fā)電機(jī)投資小，接地變壓器提高一級(jí)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(dāng)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(xù)工作計(jì)算負(fù)荷，再按變壓器短時(shí)過載能力確定容量。

（1）連續(xù)工作計(jì)算負(fù)荷設(shè)接地變負(fù)載電阻一次側(cè)值為R，額定電壓為U₁，電流值為I_R，則變壓器計(jì)算容量

SN = U1÷R............................（公式2）

當(dāng)接地電阻選擇按單相短路接地時(shí)電阻功率等與電容功率計(jì)算，流過接地變的電流I_R等于發(fā)電機(jī)回路對(duì)地總的電容電流I_C，即R=13ωC_o，得

式中，U_N——發(fā)電機(jī)額定電壓，KV；

C₀——發(fā)電機(jī)電壓回路每相對(duì)地電容，F(xiàn)；

ω——發(fā)電機(jī)角頻率，ω=2πf。

（2）接地變壓器短時(shí)過負(fù)荷倍數(shù)的確定

      接地變長期運(yùn)行在接近空載狀態(tài)，即處于發(fā)電機(jī)三次諧波和傳遞過電壓的微載狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生接地等不對(duì)稱故障時(shí)，變壓器運(yùn)行時(shí)間取決于所在回路繼電保護(hù)確定的允許帶故障運(yùn)行時(shí)間。一般大中型機(jī)組均采用故障保護(hù)動(dòng)作跳閘停機(jī)，時(shí)間非常短。所以在選擇變壓器容量時(shí)，要考慮變壓器的短時(shí)過負(fù)荷能力。

      一般工程均按1分鐘考慮過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，過負(fù)荷系數(shù)K差異較大，受變壓器型式和機(jī)組大小的影響，K=3~6。

      若接地變一次額定電壓U₁為發(fā)電機(jī)額定電壓U_N，考慮過負(fù)荷系數(shù)K后，由公式(3)得接地變壓器容量

S_N = √3U_NU₁ωC₀÷K = √3U²_NωC₀÷K （MVA）............................（公式4）

      若接地變一次額定電壓U1為發(fā)電機(jī)相電壓UX，上式變?yōu)?/span>

S_N = √3U_NU_xωC₀÷K = √3U²_NωC₀÷K （MVA）............................（公式5）

      上面給出的公式，是以I_R等于電容電流I_C，即R=1/3ωC_o為前提條件的。如果電阻選擇為了限制接地故障電流或?yàn)榱藵M足繼電保護(hù)裝置動(dòng)作值的要求，必有R≠1/3ωCo，此時(shí)要以實(shí)際電流I_R代入公式(2)計(jì)算變壓器容量，一般不再考慮過負(fù)荷系數(shù)K。

二、接地變二次負(fù)載電阻器

1、接地電阻值的選取

      發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用高阻接地，一要限制弧光接地過電壓的倍數(shù)，二要限制故障電流，同時(shí)滿足繼電保護(hù)的要求。接地電阻值的選取無疑也是從這兩點(diǎn)出發(fā)的。

     接地電阻測(cè)量如圖3所示，測(cè)量時(shí)在被測(cè)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(dǎo)線分別從C1、P1、P2、C2各端子與四根探針相連接。若地阻儀測(cè)出電阻值為R，則土壤電阻率按下式計(jì)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(shù)（Ω）；

用此法測(cè)得的土壤電阻率可近似認(rèn)為是被埋入探針之間區(qū)域內(nèi)的平均土壤電阻率。

（1）按暫態(tài)過電壓選取電阻值

      發(fā)電機(jī)在大修前及局部更換繞組后，其交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)為額定電壓的工1.5倍。因此在運(yùn)行中，1.5U_N=2.6U_X及以下過電壓被認(rèn)為是安全的，一般作用于發(fā)電機(jī)的過電壓不宜超過2.6倍相電壓。

      理論分析計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)中性點(diǎn)電阻消耗功率等于發(fā)電機(jī)電壓回路電容消耗功率時(shí)，發(fā)電機(jī)弧光過電壓和機(jī)組故障甩負(fù)荷過電壓不大于發(fā)電機(jī)相電壓的2.6倍，此時(shí)發(fā)電機(jī)電阻值等于或近似等于發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地總?cè)菘?，?/span>

R=X_C0=1/3ωC₀(Ω)............................（公式6）

式中，X_C0－發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地總?cè)菘梗?Omega;。

      表1是3組大型發(fā)電機(jī)在不同接地電阻值下，發(fā)生單相接地故障時(shí)產(chǎn)生弧光接地過電壓倍數(shù)表。

表1  中性點(diǎn)不同電阻值與暫態(tài)過電壓關(guān)系

      表1中對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)每相對(duì)地電容1.81μF和總對(duì)地電抗586.5Ω的數(shù)組，繪出曲線如圖5。

      由表1和圖5我們可以清楚地看出，隨著接地電阻的增加，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電流明顯減小，但接地過電壓倍數(shù)卻逐漸增加。隨著接地電阻R的減小，發(fā)生接地故障的弧光過電壓倍數(shù)下降，當(dāng)R減小至低于發(fā)電機(jī)對(duì)地容抗X_C0后，弧光過電壓的倍數(shù)下降將變得十分緩慢，而發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)故障電流變大，危及發(fā)電機(jī)定子鐵心。

      實(shí)際工程一般按公式(6)，選取接地電阻R，以保證弧光過電壓在較安全的數(shù)值下。當(dāng)接地電阻是按限制接地電流和滿足繼電保護(hù)需要選擇時(shí)，接地電阻大于發(fā)電機(jī)對(duì)地容抗，此時(shí)要校核發(fā)電機(jī)絕緣是否滿足過電壓的水平，從而確定電阻值的選擇。

      將R按接地變變比折算到接地變低壓側(cè)，便得接地變二次側(cè)實(shí)際接入的電阻值，一般還要計(jì)入接地變本身的內(nèi)阻的影響，其計(jì)算公式如下

R₂=R÷K_B(2)-（P_KU₂2÷S₂2）(Ω)............................（公式7）

式中，R2——接地變壓器二次側(cè)實(shí)際接入的電阻，Ω；

U₂——接地變壓器低壓側(cè)電壓，KV；

S_N——接地變壓器容量，KVA；

P_K——接地變壓器負(fù)載總損耗，W。

（2）按發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)故障電流選取電阻值

      在高阻接地方式中，接地點(diǎn)故障電流很難減小。為了定子鐵心安全，流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最大接地故障電流限制在一定數(shù)值下，一般取為I_max=15A，一般認(rèn)為在此電流下持續(xù)5~10分鐘定子鐵心只受輕微損傷。按IEEE《發(fā)電機(jī)接地保護(hù)導(dǎo)則》的規(guī)定，接地變二次電阻應(yīng)限制流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最大接地故障電流I_max不超過20A。此電流的確定宜應(yīng)與發(fā)電機(jī)制造廠咨詢，具體確定。按此電流的限制，得

代入公式(7)得R₂。

（3）滿足繼電保護(hù)裝置選取電阻值保護(hù)接地裝置對(duì)接地電阻由數(shù)值的要求，由于接地保護(hù)形式的多樣化，要求也不一樣。

      按照繼電保護(hù)配置規(guī)程的規(guī)定，大型發(fā)電機(jī)組單相接地故障電流達(dá)到5A時(shí)，定子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳閘。據(jù)此，利用公式求解出的電阻值，作為接地電阻選取的一個(gè)條件。一般電站能否按此選擇，應(yīng)作具體分析，因?yàn)橛纱丝赡苁闺娮钄?shù)值較大，暫態(tài)過電壓倍數(shù)上升，超過發(fā)電機(jī)絕緣電氣強(qiáng)度。

2、高阻接地的單相接地故障電流

      發(fā)電機(jī)定子及其電壓回路單相接地故障電流的大小，主要取決于發(fā)電機(jī)定子及發(fā)電機(jī)電壓回路對(duì)地電容的大小，對(duì)地電容越大故障電流越大。當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí)，故障電流I_f即電容電流I_C，得

 I_f = I_c = 3E ÷-jX_C= E ÷-jX_Co = j3ωX_CoE（A）............................（公式9）

      當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地時(shí)，設(shè)高阻接地阻抗為Z_n，得

 I_f = I_c = 3E ÷（3Z_n / -jX_C）=（E÷Z_n）+ （3E÷-jX_C）= （E÷Z_n）+j3ωX_CoE............................（公式10）

      當(dāng)認(rèn)為Z_n，為純阻性電阻R時(shí)，設(shè)其電流為I_R，一般R(接地變壓器二次側(cè)負(fù)載電阻折算到一次側(cè)的電阻值)的取值按公式(6)選取時(shí)，則由上

      由公式(10)我們看出，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)接地電流由電容電流和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電流兩部分組成。當(dāng)忽略接地變壓器電抗，且為了限制弧光接地過電壓接地變負(fù)載電阻取值等于發(fā)電機(jī)電壓回路總?cè)菘?，即按公?6)選取R時(shí)，高阻接地的故障電流模量為電容電流模量的2倍，此時(shí)故障點(diǎn)電流加大，顯然這是不利的。因此一般采用高阻接地方式的發(fā)電機(jī)，故障后及時(shí)切機(jī)，以保護(hù)發(fā)電機(jī)定子不受損壞。實(shí)際上，接地變和負(fù)載電阻電抗并不為零，還有個(gè)別機(jī)組為了限制接地故障電流，電阻取值大于接地總?cè)菘?，因而故障電流并不?huì)達(dá)到電容電流的2倍。