摘要：所謂接地形式，實(shí)際上指的是電力系統中性點(diǎn)的接地方式，為便于分析，根據產(chǎn)生電能原理的不同把DG分為兩類(lèi)：一類(lèi)具有轉子/定子結構，通過(guò)電磁感應原理把軸上的機械能轉化為電能，如及柴油發(fā)電機組等，這一類(lèi)DG自身具備中性點(diǎn)，可以引出中性導體，保護導體PE(ProtectiveConductor)可以與中性點(diǎn)直接聯(lián)結，既能配置為中性點(diǎn)直接接地的TN系統，也能配置為中性點(diǎn)浮空的IT系統。發(fā)電機中性點(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并聯(lián)電阻構成，經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)接入發(fā)電機中性點(diǎn)?？筛鶕煌谋Ｗo方案配置不同的保護裝置?？得魉拱l(fā)電機廠(chǎng)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(jìn)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(chēng)配電變壓器，由于其二次側并聯(lián)電阻，所構成的接地方式也稱(chēng)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(xiàn)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(guò)負荷的情況，但不受環(huán)境的影響；普通干式變壓器由于線(xiàn)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，但對防火的要求相對較低，能設置在箱體內。環(huán)氧樹(shù)脂與填料混合澆注干式變壓器散熱條件差，所以長(cháng)期過(guò)負荷能力不如油浸式，但干式變壓器線(xiàn)圈的電流密度小，對于接近絕熱過(guò)程的短時(shí)過(guò)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(huán)氧樹(shù)脂真空澆注，具有散熱性能好、體積小、過(guò)載能力大、絕緣水平高的特點(diǎn)。

      因接地變壓器多數時(shí)間運行在接近空載狀態(tài)下，過(guò)負荷時(shí)間較短，綜合以上因素，宜選干式變。當然，宜選已有生產(chǎn)經(jīng)驗定型生產(chǎn)的干式變型式，進(jìn)行經(jīng)濟技術(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(xiàn)圈的最高運行電壓為發(fā)電機單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對地電壓。發(fā)電機單相接地短路時(shí)中性點(diǎn)的對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)電機中性點(diǎn)接地仿真模擬實(shí)驗結果看，發(fā)電機中性點(diǎn)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(tài)過(guò)電壓的影響幾乎沒(méi)有差別。當機組甩負荷或故障疊加時(shí)，發(fā)電機中性點(diǎn)可能出現1.5倍相電壓的過(guò)渡電壓。所以，對于18kV級以下的發(fā)電機，為留有余地，防止變壓器過(guò)飽和，接地變一次側額定電壓按發(fā)電機線(xiàn)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(fā)電機，為節約投資，可選用發(fā)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(fā)電機相電壓。

      接地變二次側電壓，按國家標稱(chēng)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(mǎn)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(shí)，使空載抽頭電壓等于二次儀用標稱(chēng)電壓100V。當發(fā)電機額定電壓為U_N，變壓器一次側標稱(chēng)電壓為U₁，變壓器二次側標稱(chēng)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)電機工頻1分鐘耐壓選取。發(fā)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(2U_N+1000)V；大于10MW的機組，試驗電壓為(標稱(chēng)電壓為6000-17000V)(2U_N+3000)V”。另一種接地方法是根據發(fā)電機中性點(diǎn)接入負載電阻限制過(guò)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(guò)電壓不大于相電壓峰值的2.6倍，即發(fā)電機額定電壓的1.5倍。在選擇接地變耐壓值時(shí)預留15%的裕度，2.6*1.15=3U_x，即3倍的相電壓。

      由于發(fā)電機中性點(diǎn)接地裝置的投資遠比發(fā)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(wèn)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(shí)過(guò)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I_R，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(shí)電阻功率等與電容功率計算，流過(guò)接地變的電流I_R等于發(fā)電機回路對地總的電容電流I_C，即R=13ωC_o，得

式中，U_N——發(fā)電機額定電壓，KV；

C₀——發(fā)電機電壓回路每相對地電容，F；

ω——發(fā)電機角頻率，ω=2πf。

（2）接地變壓器短時(shí)過(guò)負荷倍數的確定

      接地變長(cháng)期運行在接近空載狀態(tài)，即處于發(fā)電機三次諧波和傳遞過(guò)電壓的微載狀態(tài)，當發(fā)生接地等不對稱(chēng)故障時(shí)，變壓器運行時(shí)間取決于所在回路繼電保護確定的允許帶故障運行時(shí)間。一般大中型機組均采用故障保護動(dòng)作跳閘停機，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(guò)負荷能力。

      一般工程均按1分鐘考慮過(guò)負荷運行時(shí)間，過(guò)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(fā)電機額定電壓U_N，考慮過(guò)負荷系數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為了滿(mǎn)足繼電保護裝置動(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)計算變壓器容量，一般不再考慮過(guò)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(fā)電機中性點(diǎn)采用高阻接地，一要限制弧光接地過(guò)電壓的倍數，二要限制故障電流，同時(shí)滿(mǎn)足繼電保護的要求。接地電阻值的選取無(wú)疑也是從這兩點(diǎn)出發(fā)的。

     接地電阻測量如圖3所示，測量時(shí)在被測的土壤中沿直線(xiàn)插入四根探針，并使各探針間距相等，各間距的距離為L(cháng)，要求探針入地深度為L(cháng)/20cm，用導線(xiàn)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。

（1）按暫態(tài)過(guò)電壓選取電阻值

      發(fā)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，1.5U_N=2.6U_X及以下過(guò)電壓被認為是安全的，一般作用于發(fā)電機的過(guò)電壓不宜超過(guò)2.6倍相電壓。

      理論分析計算和仿真實(shí)驗結果得出，當中性點(diǎn)電阻消耗功率等于發(fā)電機電壓回路電容消耗功率時(shí)，發(fā)電機弧光過(guò)電壓和機組故障甩負荷過(guò)電壓不大于發(fā)電機相電壓的2.6倍，此時(shí)發(fā)電機電阻值等于或近似等于發(fā)電機電壓回路對地總容抗，即

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

式中，X_C0－發(fā)電機電壓回路對地總容抗，Ω。

      表1是3組大型發(fā)電機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(guò)電壓倍數表。

表1  中性點(diǎn)不同電阻值與暫態(tài)過(guò)電壓關(guān)系

      表1中對應發(fā)電機每相對地電容1.81μF和總對地電抗586.5Ω的數組，繪出曲線(xiàn)如圖5。

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

      實(shí)際工程一般按公式(6)，選取接地電阻R，以保證弧光過(guò)電壓在較安全的數值下。當接地電阻是按限制接地電流和滿(mǎn)足繼電保護需要選擇時(shí)，接地電阻大于發(fā)電機對地容抗，此時(shí)要校核發(fā)電機絕緣是否滿(mǎn)足過(guò)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，便得接地變二次側實(shí)際接入的電阻值，一般還要計入接地變本身的內阻的影響，其計算公式如下

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

式中，R2——接地變壓器二次側實(shí)際接入的電阻，Ω；

U₂——接地變壓器低壓側電壓，KV；

S_N——接地變壓器容量，KVA；

P_K——接地變壓器負載總損耗，W。

（2）按發(fā)電機中性點(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)電機中性點(diǎn)的最大接地故障電流限制在一定數值下，一般取為I_max=15A，一般認為在此電流下持續5~10分鐘定子鐵心只受輕微損傷。按IEEE《發(fā)電機接地保護導則》的規定，接地變二次電阻應限制流經(jīng)發(fā)電機中性點(diǎn)的最大接地故障電流I_max不超過(guò)20A。此電流的確定宜應與發(fā)電機制造廠(chǎng)咨詢(xún)，具體確定。按此電流的限制，得

代入公式(7)得R₂。

（3）滿(mǎn)足繼電保護裝置選取電阻值保護接地裝置對接地電阻由數值的要求，由于接地保護形式的多樣化，要求也不一樣。

      按照繼電保護配置規程的規定，大型發(fā)電機組單相接地故障電流達到5A時(shí)，定子一點(diǎn)接地保護應動(dòng)作于跳閘。據此，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，應作具體分析，因為由此可能使電阻數值較大，暫態(tài)過(guò)電壓倍數上升，超過(guò)發(fā)電機絕緣電氣強度。

2、高阻接地的單相接地故障電流

      發(fā)電機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)電機定子及發(fā)電機電壓回路對地電容的大小，對地電容越大故障電流越大。當發(fā)電機中性點(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）

      當發(fā)電機中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地時(shí)，設高阻接地阻抗為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）

      當認為Z_n，為純阻性電阻R時(shí)，設其電流為I_R，一般R(接地變壓器二次側負載電阻折算到一次側的電阻值)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)電機中性點(diǎn)接地電流兩部分組成。當忽略接地變壓器電抗，且為了限制弧光接地過(guò)電壓接地變負載電阻取值等于發(fā)電機電壓回路總容抗，即按公式(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，故障后及時(shí)切機，以保護發(fā)電機定子不受損壞。實(shí)際上，接地變和負載電阻電抗并不為零，還有個(gè)別機組為了限制接地故障電流，電阻取值大于接地總容抗，因而故障電流并不會(huì )達到電容電流的2倍。