全连型离相封闭母线单点接地方式研究

陈 平 邹 杰 魏华栋 冯宝玥

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250013）

0 引言

发电机出口大电流母线的周围存在着强大的交变磁场，故位于其中的钢铁等磁性材料会由于涡流损耗而发热。为解决上述问题，文献［1］要求，容量在100MW及以上的发电机引出线采用全连型离相封闭母线，母线外壳的屏蔽作用能改善钢构发热情况。全连型离相封闭母线以母线导体为一次侧，母线外壳为二次侧，类似一台1∶1的空气芯变压器，当导体通电时，外壳中会流过很大的环流，这个巨大的环流通过它本身产生与导体内部相反的磁场，因而具有去磁作用，实现了屏蔽功能，减轻了周围钢构的发热现象。

但全连型离相封闭母线不同的外壳接地方式会影响环流分布，从而影响感应电压大小，进而导致一定的安全问题。为解决这个问题，国内火电工程一般采用多点接地方式。近年来，涉外工程不断增加，外方一般要求全连型离相封闭母线采用单点接地方式。关于此接地方式的研究较少，故本文对全连型离相封闭母线单点接地方式从环流损耗与感应电压两方面进行较为全面的计算分析，是非常有意义的。

1 计算公式模型

1.1 外壳阻抗计算公式

对全连型离相封闭母线，外壳损耗由环流损耗和涡流损耗组成。对不设限流电抗器的全连型外壳，涡流损耗很小，可忽略不计，只计算外壳的环流损耗［2－3］。

一般来说，单位长度外壳的阻抗值可表示为：

其中，R为外壳运行平均温度tK时单位长度的直流电阻（Ω／m），计算公式见式（2）；X 为外壳单位长度的电抗（Ω／m）。对全连型离相封闭母线而言，电抗值X由外壳自感Ls（H／m）、外壳与导体互感Lm（H／m）以及外壳间互感Lg（H／m）组成。为简化计算，忽略外壳间互感（因为外壳间互感由于相间导体与外壳的抵消作用可忽略不计），可得X计算公式（3）。文献［4］提供了Ls、Lm的具体计算公式，见式（4）、（5）。

式中，ρ20为温度在20℃时导体材料的电阻率（Ω·mm2／m），铝导体ρ20＝0.029 5Ω·mm2／m；α为导体的电阻温度系数（1／℃），对铝材料而言，α＝0.004；tK为母线外壳计算运行平均温度（℃）；FK为外壳横截面积（m2）。

式中，ω为频率（r／s）。

式中，h为外壳对地高度（m）；Rf为外壳半径（m）；Rd为三相导线几何均距（m）。

1.2 环流损耗计算公式

环流损耗包括有功损耗与无功损耗两部分，实际运行中，主要关注有功损耗经济性，故本文只对有功损耗进行计算，见式（6）：

式中，W 为每相母线外壳中单位长度环流有功损耗（W）；I为母线外壳中环流大小（A），当母线总长L≤20m时，I＝0.95Im，L≥20m时，I＝Im（Im为母线导体电流）；Kf为外壳集肤效应系数。

Kf可用式（7）计算：

1.3 感应电压计算公式

外壳总压降由电阻性压降与电抗性压降两部分组成，见式（8）：

式中，Ue为单位长度母线外壳感应电压（kV）。

2 工程计算实例

下面以某300MW容量机组为例，频率50Hz，发电机出口电压20kV，出口电流Im＝10 189A，选用全连型离相封闭母线单点接地方式，铝外壳半径Rf＝1.05m，外壳厚度δK＝0.008m，三相导线间距Rd＝1.4m，为简化计算，忽略厂用电负荷，假设发电机满负荷发电且出口电流与主变低压侧间电流相等，封闭母线长40m，tK＝62.1℃，h＝1m。

单点接地全连封母只在一侧短路板处设置接地点，接地线电阻忽略不计，可得外壳简化模型如图1所示。

图1 单点接地阻抗模型图

每相单位长度的功率损耗由式（6）计算：

W＝10 1892×1.315 6×10－6×1.008 4＝137.727W／m

可得单相封母环流功率损耗为5.51kW，则三相封母总环流损耗可近似计算得16.53kW。

由式（8）可计算出正常工作情况下单位长度外壳感应电压｜Ue｜＝0.013 4V，总长度内外壳感应电压为0.537V。

此电压满足人身安全要求。但如果外壳长度增加，则外壳感应电压会增大，有可能超过人身安全要求，需要谨慎选择这种接地方式。当发生故障，比如三相短路时，短路电流一般是正常电流的10～30倍，则此时外壳感应电压会升高，有可能会超过DL／T5222—2005《导体和电器选择设计技术规程》第7.4.5条“当母线通过短路电流时，外壳的感应电压应不超过24V”的要求。

综上所述，该工程母线外壳有一定功率损耗，从安全性角度而言，感应电压计算值低于安全值，可采用单点接地方式。

3 结语

本文针对涉外工程中要求的全连型离相封闭母线外壳单点接地方式中存在的环流损耗及感应电压问题，给出了详细的数学建模及计算过程。通过工程实例计算可以看出，从经济性角度而言，外壳环流引起部分功率损耗，此损耗在计算厂用电率时应考虑在内；从安全性角度而言，需要计算感应电压，如果计算值低于安全值，则可采用单点接地方式，反之，可建议业主采用多点接地方式。

［1］GB50660—2011 大中型火力发电厂设计规范［S］

［2］单渊达.电能系统基础［M］.北京：机械工业出版社，2001

［3］冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论［M］.北京：高等教育出版社，2000

［4］张亚婷，高博，贾磊，等.800kV分体结构GIS母线外壳环流特性的研究［J］.电瓷避雷器，2008（6）