康明斯动力设备（深圳）有限公司

摘要：所谓接地形式，实际上指的是电力系统中性点的接地方式，为便于分析，根据产生电能原理的不同把DG分为两类：一类具有转子/定子结构，通过电磁感应原理把轴上的机械能转化为电能，如及柴油发电机组等，这一类DG自身具备中性点，可以引出中性导体，保护导体PE(ProtectiveConductor)可以与中性点直接联结，既能配置为中性点直接接地的TN系统，也能配置为中性点浮空的IT系统。发电机中性点经接地变压器高阻接地方式，由配电变压器和变压器二次侧并联电阻构成，经隔离开关接入发电机中性点。可根据不同的保护方案配置不同的保护装置。康明斯发电机厂家下面在本文中就主要的设备变压器和电阻器的选择计算进行相应的阐述。

一、接地变压器

1、接地变压器型式选择

      接地变压器为单相配电型变压器，所以也称配电变压器，由于其二次侧并联电阻，所构成的接地方式也称配电变高阻接地方式。

      根据运行情况，接地变压器可选择油浸式变压器或干式变压器。油浸变压器防潮性和绝缘性好，耐受电压高，但防火要求高，不便于布置；干式变压器有敞露线圈的普通干式变压器和环氧浇注式变压器两种，较油浸变压器要贵。环氧浇注式变压器不适合突然过负荷的情况，但不受环境的影响；普通干式变压器由于线圈敞露，受环境与空气影响较大，容易受潮、积灰，所以要求更高的绝缘性能，但对防火的要求相对较低，能设置在箱体内。环氧树脂与填料混合浇注干式变压器散热条件差，所以长期过负荷能力不如油浸式，但干式变压器线圈的电流密度小，对于接近绝热过程的短时过负荷能力比油浸式强。新型的干式变压器为玻璃纤维全缠绕环氧树脂真空浇注，具有散热性能好、体积小、过载能力大、绝缘水平高的特点。

      因接地变压器多数时间运行在接近空载状态下，过负荷时间较短，综合以上因素，宜选干式变。当然，宜选已有生产经验定型生产的干式变型式，进行经济技术比较后确定。

2、接地变压器电压选择

（1）变压器额定电压值

      接地变压器一次线圈的最高运行电压为发电机单相接地短路时中性点的对地电压。发电机单相接地短路时中性点的对地电压最大为相电压，即允许相电压1.05 E_x。从有关的发电机中性点接地仿真模拟实验结果看，发电机中性点变压器一次侧电压采用相电压和采用高于相电压的两种情况，对暂态过电压的影响几乎没有差别。当机组甩负荷或故障叠加时，发电机中性点可能出现1.5倍相电压的过渡电压。所以，对于18kV级以下的发电机，为留有余地，防止变压器过饱和，接地变一次侧额定电压按发电机线电压选定。因为这样必将使变压器容量的冗余度大，所以对于18kV级及以上的发电机，为节约投资，可选用发电机相电压为接地变的一次侧额定电压值，其额定电压即为发电机相电压。

      接地变二次侧电压，按国家标称电压的标准，可选0.4kV或0.23kV电压级，也可根据电阻材料截面积及绕制方式统一考虑确定。为满足继电保护测量电压的需要，在接地变压器可能出现最高电压时，使空载抽头电压等于二次仪用标称电压100V。当发电机额定电压为U_N，变压器一次侧标称电压为U₁，变压器二次侧标称电压为时U₂，变压器变比

K_B = U₁ ÷U₂ = U_N ÷100√3.............................(公式1)

（2）变压器工频耐压值

      变压器工频耐压值可按两种方法选择。一种是按发电机工频1分钟耐压选取。发电机绕组为全绝缘结构，工频1分钟耐压值根据国标《GB-755-87》规定：“容量小于或等于10MW的机组，试验电压为(2U_N+1000)V；大于10MW的机组，试验电压为(标称电压为6000-17000V)(2U_N+3000)V”。另一种接地方法是根据发电机中性点接入负载电阻限制过电压的水平决定的。一般接地电阻的选取，使电阻功率等于电容消耗功率，此时暂态过电压不大于相电压峰值的2.6倍，即发电机额定电压的1.5倍。在选择接地变耐压值时预留15%的裕度，2.6*1.15=3U_x，即3倍的相电压。

      由于发电机中性点接地装置的投资远比发电机投资小，接地变压器提高一级耐压值，投资增加有限(一般约为变压器投资的10%)，所以一般按第一种方法选择是合适的。当然，具体问题还要具体分析。

3、接地变压器容量的选择

      接地变压器容量选择，可先按连续工作计算负荷，再按变压器短时过载能力确定容量。

（1）连续工作计算负荷设接地变负载电阻一次侧值为R，额定电压为U₁，电流值为I_R，则变压器计算容量

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

当接地电阻选择按单相短路接地时电阻功率等与电容功率计算，流过接地变的电流I_R等于发电机回路对地总的电容电流I_C，即R=13ωC_o，得

式中，U_N——发电机额定电压，KV；

C₀——发电机电压回路每相对地电容，F；

ω——发电机角频率，ω=2πf。

（2）接地变压器短时过负荷倍数的确定

      接地变长期运行在接近空载状态，即处于发电机三次谐波和传递过电压的微载状态，当发生接地等不对称故障时，变压器运行时间取决于所在回路继电保护确定的允许带故障运行时间。一般大中型机组均采用故障保护动作跳闸停机，时间非常短。所以在选择变压器容量时，要考虑变压器的短时过负荷能力。

      一般工程均按1分钟考虑过负荷运行时间，过负荷系数K差异较大，受变压器型式和机组大小的影响，K=3~6。

      若接地变一次额定电压U₁为发电机额定电压U_N，考虑过负荷系数K后，由公式(3)得接地变压器容量

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

      若接地变一次额定电压U1为发电机相电压UX，上式变为

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

      上面给出的公式，是以I_R等于电容电流I_C，即R=1/3ωC_o为前提条件的。如果电阻选择为了限制接地故障电流或为了满足继电保护装置动作值的要求，必有R≠1/3ωCo，此时要以实际电流I_R代入公式(2)计算变压器容量，一般不再考虑过负荷系数K。

二、接地变二次负载电阻器

1、接地电阻值的选取

      发电机中性点采用高阻接地，一要限制弧光接地过电压的倍数，二要限制故障电流，同时满足继电保护的要求。接地电阻值的选取无疑也是从这两点出发的。

     接地电阻测量如图3所示，测量时在被测的土壤中沿直线插入四根探针，并使各探针间距相等，各间距的距离为L，要求探针入地深度为L/20cm，用导线分别从C1、P1、P2、C2各端子与四根探针相连接。若地阻仪测出电阻值为R，则土壤电阻率按下式计算：

Ф=2πRL

其中，Ф——土壤电阻率（Ω·cm）；

L——探针与探针之间的距离(cm)；

R——地阻仪的读数（Ω）；

用此法测得的土壤电阻率可近似认为是被埋入探针之间区域内的平均土壤电阻率。

（1）按暂态过电压选取电阻值

      发电机在大修前及局部更换绕组后，其交流耐压标准为额定电压的工1.5倍。因此在运行中，1.5U_N=2.6U_X及以下过电压被认为是安全的，一般作用于发电机的过电压不宜超过2.6倍相电压。

      理论分析计算和仿真实验结果得出，当中性点电阻消耗功率等于发电机电压回路电容消耗功率时，发电机弧光过电压和机组故障甩负荷过电压不大于发电机相电压的2.6倍，此时发电机电阻值等于或近似等于发电机电压回路对地总容抗，即

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

式中，X_C0－发电机电压回路对地总容抗，Ω。

      表1是3组大型发电机在不同接地电阻值下，发生单相接地故障时产生弧光接地过电压倍数表。

表1  中性点不同电阻值与暂态过电压关系

      表1中对应发电机每相对地电容1.81μF和总对地电抗586.5Ω的数组，绘出曲线如图5。

      由表1和图5我们可以清楚地看出，随着接地电阻的增加，发电机中性点接地电流明显减小，但接地过电压倍数却逐渐增加。随着接地电阻R的减小，发生接地故障的弧光过电压倍数下降，当R减小至低于发电机对地容抗X_C0后，弧光过电压的倍数下降将变得十分缓慢，而发电机中性点故障电流变大，危及发电机定子铁心。

      实际工程一般按公式(6)，选取接地电阻R，以保证弧光过电压在较安全的数值下。当接地电阻是按限制接地电流和满足继电保护需要选择时，接地电阻大于发电机对地容抗，此时要校核发电机绝缘是否满足过电压的水平，从而确定电阻值的选择。

      将R按接地变变比折算到接地变低压侧，便得接地变二次侧实际接入的电阻值，一般还要计入接地变本身的内阻的影响，其计算公式如下

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

式中，R2——接地变压器二次侧实际接入的电阻，Ω；

U₂——接地变压器低压侧电压，KV；

S_N——接地变压器容量，KVA；

P_K——接地变压器负载总损耗，W。

（2）按发电机中性点故障电流选取电阻值

      在高阻接地方式中，接地点故障电流很难减小。为了定子铁心安全，流经发电机中性点的最大接地故障电流限制在一定数值下，一般取为I_max=15A，一般认为在此电流下持续5~10分钟定子铁心只受轻微损伤。按IEEE《发电机接地保护导则》的规定，接地变二次电阻应限制流经发电机中性点的最大接地故障电流I_max不超过20A。此电流的确定宜应与发电机制造厂咨询，具体确定。按此电流的限制，得

代入公式(7)得R₂。

（3）满足继电保护装置选取电阻值保护接地装置对接地电阻由数值的要求，由于接地保护形式的多样化，要求也不一样。

      按照继电保护配置规程的规定，大型发电机组单相接地故障电流达到5A时，定子一点接地保护应动作于跳闸。据此，利用公式求解出的电阻值，作为接地电阻选取的一个条件。一般电站能否按此选择，应作具体分析，因为由此可能使电阻数值较大，暂态过电压倍数上升，超过发电机绝缘电气强度。

2、高阻接地的单相接地故障电流

      发电机定子及其电压回路单相接地故障电流的大小，主要取决于发电机定子及发电机电压回路对地电容的大小，对地电容越大故障电流越大。当发电机中性点不接地时，故障电流I_f即电容电流I_C，得

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

      当发电机中性点经高阻接地时，设高阻接地阻抗为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）

      当认为Z_n，为纯阻性电阻R时，设其电流为I_R，一般R(接地变压器二次侧负载电阻折算到一次侧的电阻值)的取值按公式(6)选取时，则由上

      由公式(10)我们看出，发生单相接地故障时，故障点接地电流由电容电流和发电机中性点接地电流两部分组成。当忽略接地变压器电抗，且为了限制弧光接地过电压接地变负载电阻取值等于发电机电压回路总容抗，即按公式(6)选取R时，高阻接地的故障电流模量为电容电流模量的2倍，此时故障点电流加大，显然这是不利的。因此一般采用高阻接地方式的发电机，故障后及时切机，以保护发电机定子不受损坏。实际上，接地变和负载电阻电抗并不为零，还有个别机组为了限制接地故障电流，电阻取值大于接地总容抗，因而故障电流并不会达到电容电流的2倍。