Forschung zum Neutralleiter-Erdungsmodus von Hochspannung10KW Diesel Generator

0 Einleitung

Die elektrische Verbindung zwischen dem Neutralpunkt und der Erde des Verteilungsnetzes wird als Neutralpunkt-Erdungsmodus oder auch als Neutralpunkt-Betriebsmodus bezeichnet. Welche Erdungsmethode für den Neutralpunkt verwendet wird, ist ein sehr weitreichendes technisches und wirtschaftliches Problem. Unterschiedliche Erdungsmodi wirken sich direkt auf Überspannung, den Isolationsgrad elektrischer Geräte, die Zuverlässigkeit des Stromnetzes, die Selektivität und Empfindlichkeit des Relaisschutzes sowie die Störung von Kommunikationsleitungen aus.

1 Neutralpunkt, gemeinsamer Erdungsweg

Es gibt vier Arten der gemeinsamen Systemerdung in Stromversorgungssystemen:

(1) Der Neutralpunkt ist direkt geerdet: Der Neutralpunkt eines Hochspannungs-Wechselstromsystems ist direkt geerdet. Wenn im System ein einphasiger Erdungsfehler auftritt, entsteht ein einphasiger Erdungskurzschluss und der Kurzschlussstrom ist sehr groß, was für den Relaisschutz sehr vorteilhaft ist. Ohne Fehler steigt die Spannung im Verhältnis zur Erde nicht an und verursacht keine intermittierende Lichtbogenüberspannung.

(2) ERDUNG DER LICHTBOGENUNTERDRÜCKUNGSSPULE: Erdung der neutralen Lichtbogenunterdrückungsspule des Hochspannungs-Wechselstromsystems, zwischen dem Neutralpunkt und der Erdung in Reihe mit einem Reaktor, um den kapazitiven Strom auszugleichen und den Kurzschlussstrom bei einphasigem Erdschluss zu begrenzen.

(3)der Neutralpunkt ist durch einen Widerstand geerdet (hoher Widerstand, niedriger Widerstand): Das Hochspannungs-Wechselstromsystem ist am Neutralpunkt hochohmig geerdet und ein Widerstand mit hoher Impedanz ist in Reihe zwischen Neutralpunkt und Erdungspunkt geschaltet, der Kurzschlussstrom eines einphasigen Erdschlusses ist auf 5 bis 20 A begrenzt, der Neutralpunkt des Hochspannungs-Wechselstromsystems ist niederohmig geerdet und ein Widerstand mit niedriger Impedanz ist in Reihe zwischen Neutralpunkt und Erdungspunkt geschaltet, der Kurzschlussstrom eines einphasigen Erdschlusses ist auf 100 bis 1000 A begrenzt.

(4)Neutralleiter nicht geerdet: Der Neutralpunkt eines Hochspannungs-Wechselstromsystems ist nicht geerdet. Wenn das System einen einphasigen Erdungsfehler aufweist, ist der einphasige Erdungsstrom ein kapazitiver Strom. Wenn der einphasige Erdungsstrom gering ist (nicht mehr als 10 A), kann das System trotz Fehler 1 bis 2 Stunden laufen. Der Nachteil besteht darin, dass bei einem einphasigen Erdungsfehler der Lichtbogen nicht selbst gelöscht werden kann, wenn der Erdungsstrom groß ist. Dies führt zu einer Überspannung des Lichtbogens, gefährdet die Ausrüstung, zerstört die Isolierung und verursacht sogar einen mehrphasigen Kurzschluss.

1.1 Faktoren, die die Auswahl der Erdungsmethode beeinflussen

Die Faktoren, die die Auswahl des Erdungsmodus beeinflussen, sind: 1 Zuverlässigkeit der Stromversorgung; 2 Sicherheit von Personen und Geräten; 3 Überspannungsfaktor; 4 Relaisschutz; 5 Investition.

1.2 Umfassender Vergleich gängiger Neutralleiter-Erdungsmodi

Einen umfassenden Vergleich gängiger Neutralleiter-Erdungsarten finden Sie in Tabelle 1.

Tabelle 1: Umfassender Vergleich gängiger Neutralleiter-Erdungsarten

2 Hochspannungs-Dieselgeneratoren mit 10 kW

Wenn der Neutralpunkt nicht geerdet ist und sich der einphasige Erdschluss außerhalb des Hochspannungs-Dieselgenerators mit 10 kW befindet und der Kapazitätsstrom einen bestimmten Wert überschreitet, kann der Fehlerlichtbogen nicht von selbst gelöscht werden. Er wird häufig von einem intermittierenden Lichtbogen begleitet. Die aufgebaute Phase erzeugt Überspannung, was zu Isolationsschäden führt. Die im Dreieck geschaltete Harmonische höherer Ordnung des Generators bildet eine Schleifenerwärmung. Daher wird im Allgemeinen eine Y-Verbindung verwendet. Die Stehspannungsnorm beträgt das 1,5-fache der Nennnetzspannung, IE 2,6 u-Phase.

Um den sicheren Betrieb der Hochspannung 10KW zu gewährleistenDieselgeneratorSystem muss sichergestellt werden, dass die Überspannung der fehlerfreien Phase im Falle eines einphasigen Erdschlusses des Systems weniger als 2,6 u-Phase beträgt und dass die Überspannung der fehlerfreien Phase im Falle eines einphasigen Erdschlusses des Hochspannungs-10-kW-Dieselgeneratorsystems weniger als 2,6 u-Phase beträgt. Wenn keine Funkenstrecke vorhanden ist, sollte der Widerstandsstrom IR des Erdungspunkts größer sein als der Gesamtkapazitätsstrom I ∑ C, im Allgemeinen IR ≥ (1,0 – 1,5) I ∑ C, wodurch die Überspannung um ein Vielfaches von weniger als 2,5 u-Phase weiter unterdrückt werden kann. Wenn IR ≥ 3,0 I ∑ C (oder Xc/r ≥ 3,0), kann der interne Überspannungsunterdrückungseffekt erreicht werden, wie in Abb. 1 gezeigt.

Der Erdungsmodus mit hohem Widerstand funktioniert nur bei geringem Erdungsstrom. Der Effekt der automatischen Lichtbogenlöschung ist offensichtlich. Im Allgemeinen gilt dies für Erdungskapazitätsströme von weniger als 10 A in Hochspannungssystemen. Der Kapazitätsstrom I ∑ C eines 10-kW-Dieselgeneratorsystems im Zentrum von Shanghai beträgt 6 A.

Durch die Analyse des Mechanismus der Generator-Neutralpunkt-Widerstandserdung sollte, um die Hauptanforderungen des Generator-Erdungstyps zu erfüllen, bei der Erdung elektrischer Generatoren ein Erdungstyp mit hohem Widerstand gewählt werden.

Vorteile: 1. Gewährleistung der Kontinuität der Stromversorgung, wenn der einphasige Fehlerstrom gegen Erde niedriger ist als die Sicherheitstoleranz des Hochspannungs-Dieselgenerators mit 10 kW, mit Fehlerbetrieb (normalerweise 2 Stunden). 2. Die Überspannung des Funkenbogens wird unterdrückt, wodurch die Überspannung unter 2,6 u-Phase fällt. 3. Einfacher Relaisschutz.

NACHTEILE: 1. Geeignet für Erdungskapazitätsströme kleiner Hochspannungssysteme (weniger als 10 A), begrenzt die Verwendung des Bereichs. Wenn der Kurzschlussstrom eines einphasigen Erdschlusses groß ist, verursacht der durch den Widerstand fließende Strom ein Erwärmungsproblem, und wenn die Zeit zu lang ist, brennt der Widerstand durch.

Abb. 1 Diagramm der Systemimpedanz und des transienten Überspannungsmultiplikators

3 Auswahl des neutralen Erdungswiderstands für einen 10-kW-Notstrom-Hochspannungsdieselgenerator im Zentrum von Shanghai

3.1 Auswahl des Neutralleiter-Erdungswiderstands

Jeder Hersteller von 10-kW-Dieselgeneratoren verwendet unterschiedliche Auswahl- und Kontrollmethoden für den Neutralleiter-Erdungswiderstand des 10-kW-Dieselgenerators und in China gibt es hierfür keine einheitliche Regelung.

(1)Der Erdungsstrom wird auf 100 – 150 A, 10 – 30 A und 10 % des Nennstroms geregelt.

(2)mehrere 10-kW-Dieselgeneratoren + mehrere Schütze + ein Widerstandserdungsschema oder mehrere 10-kW-Dieselgeneratoren + mehrere Schütze + mehrere Widerstandserdungsschemata. Ersteres ist kostengünstig und hat eine kleine Stellfläche, aber seine Steuerlogik ist kompliziert, bei Letzterem ist das Gegenteil der Fall.

(3)Es laufen mehrere 10-kW-Dieselgeneratoren mit einem geschlossenen Schütz zur Steuerung der Zirkulation und es gibt mehrere geschlossene Schütze mit Zirkulationsregler.

Der neutrale Erdungswiderstand des Shanghai Center Emergency High Voltage 10 kw Dieselgenerators beträgt

Daher werden 4 Sätze mit 2500 kW (Standby-Leistung)/10,5 KV, 1 Satz 303 Hochspannungswiderstandsbox mit Temperaturalarm und 4 Sätze Hochspannungs-AC-Schütze ausgewählt.

4 Berechnung des Kurzschlussstroms eines einphasigen Erdschlusses mit hohem Widerstand

Das schematische Diagramm des Kurzschlussstroms des Kabels mit einphasigem Erdschluss ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 schematische Darstellung des Kurzschlussstroms eines Kabels mit einphasigem Erdschluss

Der Kurzschlussstrom eines einphasigen Erdschlusses mit vollständig metallischem Kabel beträgt

ICX ist der Kapazitätsstrom der geschützten Leitung, der Kapazitätsstrom des kürzesten Kabels im Shanghai Center beträgt 0,15 A und der Kapazitätsstrom des längsten Kabels beträgt 0,7 A.

5 Der Fehlerpunkt des Kabels durchläuft den Übergangswiderstand RG = (30 ~ 300) und der Kurzschlussstrom des einphasigen Erdschlusses beträgt

Der Gesamtkurzschlussstrom beträgt 20,7 A, wenn im Notstrom-Hochspannungs-Dieselgeneratorsystem mit 10 kW ein einzelner Phasen-Erde-Fehler auftritt. Der maximale Betriebsmodus ist

5,2 A für jeden der vier 10-kW-Dieselgeneratoren, der Mindestbetriebsmodus ist 310-kW-Dieselgenerator, jede Strombelastung 6,9 A, hat keinen Einfluss auf den Betrieb des 10-kW-Dieselgenerators.

5Berechnung des Nullstromschutzes für hochohmige Erdungsleitungen und des Nullstromschutzes für hochspannungsfeste Boxen

5.1 Idz0x-Berechnung von Nullstromschutzübertragungsleitungen

Die Nullstromschutzeinstellung ist Idz0x = KIcx entsprechend dem Kapazitätsstromzustand der geschützten Leitung

Unter: K —— Zuverlässigkeitskoeffizient, 4 ~ 5.

Die Empfindlichkeit beträgt: Km = ID/IDZ0X ≥2

Km ≥2 für Hauptschutz und Km ≥1,5 für Backup-Schutz.

LINE ZERO SEQUENCE CT-Umwandlungsverhältnis ist 100/1, Nullstrom 1 Stromschutzeinstellung (Sekundärseite) istIdz0x = 5 × 0,53/100 = 0,0265 A

Bei 0,06 a/0,8 s beträgt die EmpfindlichkeitKm=20,7/(0,06×100)≈3,4≥2

Der Einstellwert des Nullstrom-2-Stromschutzes (Sekundärseite) beträgtIdz0x= 4×0,53/100=0,0212 A

Bei 0,03/1,6 s beträgt die EmpfindlichkeitKm=11,3/(0,03×100)≈3,8≥2

Idz0R Berechnung des Nullstromschutzes für 5.2 Hochspannungswiderstandsbox

Es ist 1,1 bis 1,2 Mal größer als der eingestellte Wert des unteren Nullsequenzschutzes und die Zeitbegrenzung beträgt 0,3 s.

Das Nullsequenz-CT-Verhältnis der Hochspannungswiderstandsbox beträgt 50/5, und der Wert des Nullstrom-1-Stromschutzes (Sekundärseite) beträgtIdz0R= 1,1×0,06×100/10=0,66 A

Bei 0,7 a/1,1 s beträgt die EmpfindlichkeitKm=20,7/(0,7×10)≈2,9≥2

Der Einstellwert des Nullstrom-2-Stromschutzes (Sekundärseite) beträgtIdz0R= 1,1×0,03×100/10=0,33 A

Bei 0,4 a/1,9 s beträgt die EmpfindlichkeitKm = 11,3/(0,410)≈2,8≥2. Um die persönliche Sicherheit zu gewährleisten, muss die Kontaktspannung dem nationalen Standard entsprechen: Wenn die Schutzbetriebszeit mehr als 1 s beträgt, beträgt der Kontaktspannungswert 50 V.

Die Erdungsspannung des Fehlerpunkts beträgtUgz= IdRjd=20,7×1=20,7 V<50 V

Unter diesen ist RJD der Wert des Erdungswiderstands, ≤1,0.

6 Strategie für den Erdungsbetrieb mit hohem Widerstand

(1)Wenn im System ein einphasiger Erdschluss auftritt, ist der Kurzschlussstrom zu gering, um die Temperatur des Hochspannungswiderstandskastens zu alarmieren, und beeinträchtigt den Betrieb des 10-kW-Dieselgenerators nicht. Vier 10-kW-Dieselgeneratoren sind am Neutralpunkt mit der hochohmigen Erde verbunden.

(2)Wenn im System ein einphasiger Erdschlussfehler auftritt, ist der Kurzschlussstrom größer, was einen Temperaturalarm im Hochspannungswiderstandskasten auslöst. Das Steuersystem des 10-kW-Dieselgenerators steuert vier Hochspannungs-Wechselstromschütze, um den hohen Widerstand der Neutralleitererdung zu unterbrechen. Vier 10-kW-Dieselgeneratoren arbeiten in einem neutralen, nicht geerdeten Modus.

(3)Vier 10-kW-Dieselgeneratoren werden in einem ungeerdeten Neutralpunktmodus betrieben und der Kapazitätsstrom des Systemkabels zur Erde I ∑ cL wird wie in Tabelle 2 gezeigt berechnet. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, beträgt der Leitungskapazitätsstrom des Zentrums von Shanghai etwa 4 A.

Tabelle 2 Berechnung des Erdkapazitätsstroms I ∑ cL des Systemkabels

Der Kapazitätsstrom des Verteilerschranks und des Erdungssystems beträgtI∑c= α(1+β)I∑cL=1,3 × (1 + 15 %) × 4 = 6 A

Die Formel lautet wie folgt: (1,2 – 1,8) als Freiheitskoeffizient, (15 % – 20 %) als Einflussrate der Stromverteilungsausrüstung.

(4) Die Empfindlichkeit des Nullstromschutzes (Backup-Schutz ≥1,5) beträgt

Km= (I∑c-Icx)/Idz0x=(6-0,53)/3≈1,8≥1,5

(4)Der Einfluss des ungeerdeten Neutralpunktbetriebs auf den 10-kW-Dieselgenerator. Der einphasige Erdschlussstrom beträgt 6 A, der maximale Betriebsmodus beträgt 1,5 A für einen 410-kW-Dieselgenerator und der minimale Betriebsmodus beträgt 2,0 A für einen 310-kW-Dieselgenerator. Der 10-kW-Dieselgenerator ist hiervon nicht betroffen.

7 Systemdiagramm des Neutralleiter-Erdungswiderstands

Das Neutralleiter-Erdungswiderstandssystem des 10-kW-Notstrom-Hochspannungsdieselgenerators des Shanghai Center ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3 Notstrom-Hochspannungs-10-kW-Dieselgenerator-Neutralleiter-Erdungswiderstandssystem

8. Fazit

Die neutrale Erdung eines Hochspannungs-Dieselgenerators mit 10 kW stellt ein sehr breites Spektrum wirtschaftlicher Probleme dar. Verschiedene Länder und Städte eines Landes haben unterschiedliche Methoden zur neutralen Erdung, die hauptsächlich auf ihren eigenen Betriebserfahrungen und Traditionen beruhen.