李 虎

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

某核電廠柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地分析

李 虎

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院)

本文介紹了某核電廠柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地的作用及方法，并通過實(shí)例闡述了接地變壓器和接地電阻容量的分析方法和過程。

核電廠；柴油發(fā)電機(jī)；接地變壓器；容量

0 引言

某核電廠內(nèi)備用電源系統(tǒng)由兩臺(tái)相同的備用柴油發(fā)電機(jī)組組成。該交流電源用于向縱深防御所需的非安全有關(guān)負(fù)荷提供電源。在發(fā)生主發(fā)電機(jī)跳閘同時(shí)失去廠外電源事件時(shí)，廠內(nèi)備用電源系統(tǒng)向經(jīng)選定的電廠永久非安全有關(guān)負(fù)荷提供交流電源。此時(shí)，正常交流電源不能向1E 級(jí)蓄電池充電器供電，廠內(nèi)備用電源系統(tǒng)向1E 級(jí)直流和不間斷電源系統(tǒng)提供交流電源。在電廠運(yùn)行于冷停堆和換料等反應(yīng)堆半充水運(yùn)行期間，廠內(nèi)備用電源可向支持余熱排出所需的廠內(nèi)設(shè)備提供交流電源。另外，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)允許操作員在發(fā)生主發(fā)電機(jī)跳閘、同時(shí)失去廠外電源的時(shí)候向經(jīng)選定的基于電廠投資保護(hù)目的的電廠永久非安全有關(guān)負(fù)荷提供交流電源。

鑒于柴油發(fā)電機(jī)是在特定場(chǎng)合用于向核電廠縱深防御和投資保護(hù)設(shè)備提供交流電源，因此如何確保發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行就變得非常重要。在孤島運(yùn)行時(shí)，中壓發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地故障引起的過電壓對(duì)電氣設(shè)備的損壞是比較嚴(yán)重的；而此時(shí)往往要求發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（一般要求兩周以上時(shí)間），因此核心解決思路是選擇合適的接地方式來限制過電壓水平，并合理選擇后續(xù)保護(hù)繼電器等檢測(cè)手段。

同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地的主要目的是保護(hù)交流柴油發(fā)電機(jī)和相關(guān)設(shè)備，以免遭受異常電氣條件的損壞。備用柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過單相接地變壓器和二次電阻接地，并配備合適的保護(hù)繼電器。

1 分析方法

首先，根據(jù)中壓系統(tǒng)設(shè)置要求合理選擇柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器電壓和電阻的額定電壓，即選擇變壓器的一次和二次電壓；然后，根據(jù)各工藝專業(yè)提供的用電數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算系統(tǒng)容抗值Xcg和接地電阻Rn，即確定發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力中心變壓器的設(shè)備功率和電纜長(zhǎng)度，計(jì)算總單相對(duì)地電容，計(jì)算接地電阻；接著，確定電阻額定值和中性點(diǎn)接地變壓器額定kVA值，即計(jì)算電阻值，計(jì)算電阻二次電流，計(jì)算電阻額定功率，計(jì)算變壓器連續(xù)額定kVA值；最后，核實(shí)中性點(diǎn)接地變壓器的一次電流是否滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則，即計(jì)算接地變壓器的一次電流，確認(rèn)變壓器初級(jí)電流滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則。

2 假設(shè)條件和驗(yàn)收準(zhǔn)則

由于在進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)中心點(diǎn)接地計(jì)算時(shí)，基本處于初步設(shè)計(jì)階段，部分設(shè)計(jì)輸入暫時(shí)無法準(zhǔn)確提供，為了不影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，特此進(jìn)行了部分合理假設(shè)：①電纜長(zhǎng)度的選取是合適的；②避雷器、PT和CT等元器件的對(duì)地電容暫不考慮。

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通過具有二 次電阻的變壓器進(jìn)行接地，遵循以下準(zhǔn)則：

1) 當(dāng)線對(duì)地故障電流為5～15A之間時(shí)，機(jī)械應(yīng)力和故障損壞處于可接受范圍。

2)為使減少瞬態(tài)電壓處于安全水平，電阻值應(yīng)少于容抗值，即Xcg/Rn≥1。

圖1 為在采用接地變壓器和二次電阻進(jìn)行接地的系統(tǒng)中，在故障處或斷路器觸點(diǎn)兩端發(fā)生多次電弧重燃時(shí)，所產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓（以發(fā)電機(jī)額定相電壓峰值的百分比表示）。

圖1

3 某核電廠柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地分析

根據(jù)某核電廠的初步設(shè)計(jì)文件資料，備用柴油發(fā)電機(jī)所供電設(shè)備電容值詳見表1，系統(tǒng)圖見圖2，柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力中心變壓器的電纜截面和電纜長(zhǎng)度等參數(shù)詳見表2。

柴油發(fā)電機(jī)額定線電壓為10.5kV，中性點(diǎn)接地變壓器一次電壓選定為10.5 kV /√3，二次電壓為240 V，該二次電壓可根據(jù)繼電器而定。

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算系統(tǒng)容抗Xcg和接地電阻值Rn。首先計(jì)算系統(tǒng)總對(duì)地電容

系統(tǒng)總對(duì)地容抗為

中性點(diǎn)對(duì)地容抗Xcg等效于三相容抗的并聯(lián)，即為

圖2 系統(tǒng)圖

表1 柴油發(fā)電機(jī)所供電設(shè)備電容值

表2 電纜電容值

為了降低過電壓水平，容抗接地電阻比例Xcg/Rn取為1.2，則

在連續(xù)接地故障時(shí)，電流會(huì)經(jīng)過二次電阻流通。必須確定電流值以指定電阻額定值和變壓器額定kVA值，假設(shè)最大中性點(diǎn)電壓等于相電壓，則

因此，連續(xù)額定電流值選為200A。

電阻額定功率按以下方式計(jì)算

同理，電阻額定功率可以按照變壓器額定電壓乘以額定電流進(jìn)行計(jì)算，因此，選擇50kVA變壓器。

最后需要確定所選的變壓器及二次電阻是否滿足驗(yàn)收準(zhǔn)則，發(fā)電機(jī)單相故障的中性點(diǎn)接地變壓器的一次電流為

處于5～15A之間。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器和接地電阻值的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，滿足第2節(jié)的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

表3 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

本文首先介紹了某核電廠內(nèi)備用電源系統(tǒng)的配置和系統(tǒng)功能，其主要是在特定場(chǎng)合用于向核電廠縱深防御和投資保護(hù)設(shè)備提供交流電源。準(zhǔn)確地計(jì)算和選擇接地變壓器和接地電阻的容量是保證柴油發(fā)電機(jī)完成其系統(tǒng)功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)。本文詳細(xì)闡述了接地變壓器和接地電阻容量的計(jì)算方法和過程，并給出了驗(yàn)收準(zhǔn)則。在用電負(fù)荷和電纜長(zhǎng)度確定的前提下，本文介紹的分析和計(jì)算方法可直接用于柴油發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型和廠房布置，其研究方法也可作為其他柴油發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的重要參考。

2016-08-15）