孫若笛

（江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

火力發(fā)電廠黑啟動(dòng)，是指電廠因故障停運(yùn)后，在不依靠外部電網(wǎng)供電的情況下，通過具有自啟動(dòng)能力的柴油發(fā)電機(jī)組，帶動(dòng)輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，使汽輪發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。本文以菲律賓某新建電廠為例，探討并列運(yùn)行的黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)接地方案，并給出廠用電和柴油發(fā)電機(jī)組接地保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果。

1 國外某電廠概述

本文依據(jù)菲律賓某新建火力發(fā)電廠項(xiàng)目進(jìn)行分析，該工程新建一臺(tái)25 MW汽輪發(fā)電機(jī)和一臺(tái)110 t/h鍋爐。通過主變接入69 kV母線，69 kV采用單母線接線，設(shè)兩回出線。設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，高廠變及兩段互相聯(lián)絡(luò)的11 kV母線為廠用高壓負(fù)荷供電。啟動(dòng)電源由11 kV黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)提供。

2 發(fā)電機(jī)和廠用電系統(tǒng)接地方式要求

根據(jù)EPC合同要求，經(jīng)過短路電流等參數(shù)計(jì)算，本工程接地方案如下：主變高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變接地，R=1.963 4 Ω；11 kV廠用電和柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)低阻接地，R=21.2 Ω。

3 電廠電氣主接線設(shè)計(jì)方案

考慮電廠運(yùn)行方式，采用兩臺(tái)1 600 kW柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源。電氣主接線如圖1所示。

4 黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方案分析

EPC合同要求黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，該方案可行，分析如下：

IEEE Std 665—1995（R2001）《發(fā)電廠接地導(dǎo)則》5.3.1.3條規(guī)定，低電阻接地方式適用于發(fā)電機(jī)不經(jīng)過升壓變壓器直接與系統(tǒng)相連的情況。

IEEE std C62.92.2—1989（R2005）《電氣系統(tǒng)中性點(diǎn)接地應(yīng)用導(dǎo)則Ⅱ：同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地》3.2.1條規(guī)定，發(fā)電機(jī)低阻接地是通過在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和地之間接入低電阻或接地變壓器實(shí)現(xiàn)的。相對高電阻接地而言，有更小的暫態(tài)過電壓。

因此，本工程柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用低阻接地方式，理由為：

（1）當(dāng)#1或#2柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障時(shí)，通過機(jī)端CT自產(chǎn)零序檢測接地電容電流，跳開-QF5或-QF6以保護(hù)發(fā)電機(jī)。

圖1 電氣主接線

（2）黑啟動(dòng)過程中，-QF11、-QF12斷開，-QF3～-QF6閉合，11 kV廠用A/B段由柴油發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)低電阻接地，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)迅速動(dòng)作切除故障。

本工程柴油機(jī)組存在單獨(dú)和并列運(yùn)行兩種工況。圖2（a）～（d）給出了四種柴油機(jī)中性點(diǎn)接地方案，下面將對這四種方案進(jìn)行分析，并給出推薦方案。

方案一：#1和#2柴油發(fā)電機(jī)（下文簡稱BSDG1和BSDG2）中性點(diǎn)短接后，通過隔離開關(guān)-QS1經(jīng)接地電阻柜（NGR）接地。該方案優(yōu)點(diǎn)為接線簡單易行，經(jīng)濟(jì)性最高?？赏ㄟ^控制-QF5和-QF6實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)組單獨(dú)或并列運(yùn)行；當(dāng)成功并網(wǎng)且BSDG退出后，斷開-QS1將NGR切除，由高廠變低壓側(cè)NGR實(shí)現(xiàn)高壓廠用電系統(tǒng)低電阻接地。缺點(diǎn)為：（1）兩臺(tái)BSDG由于中性點(diǎn)直接相連，單元性和獨(dú)立性較差，當(dāng)其中一臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，無法對另一臺(tái)進(jìn)行檢修或維護(hù)。（2）當(dāng)某臺(tái)柴油機(jī)發(fā)生故障時(shí)，無法在保證另一臺(tái)柴油機(jī)正常運(yùn)行的情況下，將故障發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修或更換。（3）-QS1需要手動(dòng)操作，運(yùn)行人員要到集裝箱中進(jìn)行切換。（4）兩臺(tái)柴油機(jī)中性點(diǎn)直接相連，當(dāng)機(jī)組特性和外部回路不完全一致時(shí)，中性線中會(huì)由于電壓差導(dǎo)致環(huán)流。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方案

方案二：BSDG1和BSDG2中性點(diǎn)分別設(shè)置隔離開關(guān)-QS1和-QS2，再經(jīng)NGR接地。在方案一基礎(chǔ)上增加一組隔離開關(guān)，大大提高了兩臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行的獨(dú)立性。當(dāng)只需要運(yùn)行BSDG1時(shí)，可通過斷開-QF6和-QS1，將BSDG2退出系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)檢修或維護(hù)，反之也一樣。另外，當(dāng)其中一臺(tái)柴油機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可將故障柴油機(jī)切除，進(jìn)行維修或更換。當(dāng)BSDG1和BSDG2同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可僅合閘-QS1，保持-QS2分閘，避免由于電壓差而引起的環(huán)流。缺點(diǎn)為-QS1、-QS2需手動(dòng)操作。

方案三：BSDG1和BSDG2中性點(diǎn)分別設(shè)置斷路器-QF01和-QF02，再經(jīng)過NGR接地。該方案解決了上述兩種方案的弊端，實(shí)現(xiàn)了-QF5、-QF6和-QF01、-QF02的遠(yuǎn)方操作和自動(dòng)切換。兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)可通過柴油機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立和并列運(yùn)行。

方案四：BSDG1和BSDG2中性點(diǎn)分別設(shè)置真空接觸器-QC1和-QC2，再經(jīng)NGR接地。該方案原理上與方案三一致。采用接觸器代替斷路器，造價(jià)更低，經(jīng)濟(jì)性更好。故選擇方案四作為最終設(shè)計(jì)方案。

本工程采用美國MARATHON ELECTRIC公司的兩臺(tái)MXH-1600-4型柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用IC-NT-SPTM型智能控制器；-QC1、-QC2的控制由控制器實(shí)現(xiàn)。控制邏輯如下：

（1）當(dāng)無系統(tǒng)并網(wǎng)成功信號時(shí)，若接收到BSDG1運(yùn)行信號，則合閘-QC1，保持-QC2分閘；若接收到BSDG2運(yùn)行信號，則合閘-QC2，保持-QC1分閘；若接收到BSDG1和BSDG2并列運(yùn)行信號，則僅合閘-QC1，保持-QC2分閘。

（2）當(dāng)接收到系統(tǒng)并網(wǎng)成功信號時(shí)，斷開-QC1和-QC2，NGR與機(jī)組分離，由高廠變低壓側(cè)接地電阻柜承擔(dān)系統(tǒng)接地。柴油機(jī)組退出運(yùn)行。

（3）當(dāng)僅一臺(tái)采油機(jī)運(yùn)行時(shí)，以BSDG1為例，若發(fā)生定子單相接地故障，保護(hù)動(dòng)作分閘-QF5和-QC1，同時(shí)合閘-QF6和-QC2，啟動(dòng)BSDG2，繼續(xù)為系統(tǒng)提供電源?？蓪SDG1進(jìn)行維修和更換。

5 接地保護(hù)整定計(jì)算結(jié)果

柴油機(jī)參數(shù)：fN=60 Hz，cos φ=0.8，UN=11 kV，IN=104.98 kA，PN=1 600 kW，Xd″=0.016 5，CT變比150/1。高廠變低壓側(cè)11 kV A/B段CT變比400/1，低壓側(cè)中性點(diǎn)CT變比400/1。

5.1 高廠變分支零序電流保護(hù)Ⅰ段定值計(jì)算

系統(tǒng)單相接地零序電流：

5.1.1 低廠變回路

按最低靈敏度不小于4整定，則：

式中，ILN為低廠變高壓側(cè)額定電流。

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限：tOT=0.6 s。

5.1.2 電動(dòng)機(jī)回路

動(dòng)作電流按死區(qū)α≤15%計(jì)算，則：

式中，IM為電動(dòng)機(jī)額定電流。

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限：tOM=0.1～0.6 s。

5.1.3 分支零序Ⅰ段動(dòng)作電流

取末級最大零序動(dòng)作電流為45 A，則：

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限：t1=1.2 s。

5.2 高廠變分支零序電流保護(hù)Ⅱ段定值計(jì)算

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限：t2=1.5 s。

5.3 柴油發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值計(jì)算

保護(hù)動(dòng)作時(shí)限：t=1.5 s。

6 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)發(fā)電廠黑啟動(dòng)電源為兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，需要綜合考慮柴油機(jī)獨(dú)立和并列運(yùn)行工況，合理選擇中性點(diǎn)接地方式。采用低電阻接地方式時(shí)，本文推薦雙真空接觸器加接地電阻柜方案，以實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)組的靈活控制，提高運(yùn)維和檢修的便利性。該方案已在菲律賓某電廠實(shí)施，目前，該電廠已投入商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好。