發電機中性點接地方式的比較分析

張程明

摘要：本文比較了發電機中性點接地方式，分析了中性點消弧線圈接地方式。

關鍵詞：發電機;中性點;接地

大型發電機的安全運行與其中性點接地方式有很大關系，在選擇接地方式時須考慮很多因素，如定子單相接地時故障電流造成鐵心的損害、定子絕緣由于暫態過電壓和傳遞過電壓而造成的損傷、正常運行時的中性點位移電壓大小以及發電機中性點接地設備的設計制造工藝等。經常發生的暫態過電壓引起絕緣老化，使得定子接地故障主要發生在發電機機端側，接地故障點可能位于定子繞組的任一位置，有時候甚至會在發電機中性點附近發生接地故障。

1.發電機中性點接地方式探討

發電機中性點經何種方式接地與發電機定子單相接地保護的類型有很大關系，還有接地故障電流的大小和定子繞組過電壓幅值都有很多關聯，必須根據現場的運行經驗和理論分析相結合來討論發電機中性點接地方式，綜合考慮諸多相關因素，才能選擇最佳的中性點接地方式。

發電機中性點接地方式大致分為以下幾種，各有優缺點：

1）絕緣或高阻接地，優點：接地電流小，一般小于10A，成本小。不足：在間歇性接地故障時，暫態過電壓高（2.5-3.5）U_ph-E。經配電變壓器高阻接地方式可以使接地故障電流比正常電容電流大以上。由于大容量機組的定子繞組單相對地電容很大，尤其是大型的水輪機組，發電機定子繞組單相對地電容更大。在三峽水輪機組中，發電機定子三相對地的電容電流就達到T 30A左右，遠遠超過允許值。

2）補償接地或經電抗接地，優點：故障點接地電流小，一般小于10A，不足：產生暫態過電壓（<2.5U_ph-E），成本增加。現在發電機采用的都是大機組，機組越

大，電壓越高，定子繞組對地電容也越大，而定子繞組接地故障的安全電流也隨電壓增高而減少，目前廣泛使用。

3）低阻抗接地，目前主要應用于工業系統中的發電機，優點：暫態過電壓低，能夠為保護裝置提供足夠大的電流判據，定子接地保護范圍達95%到98%，不足：接地電流大，小于100-400A，但也遠遠超過發電機的安全接地電流，故障持續較長時間，對發電機危害很大，鐵芯的燒毀不能避免，目前很少使用。

根據國際《（IEEE GUIDE FOR GENERATOR GROUND PI的TECTION》標準，他們推薦大容量發電機組中性點接地方式主要采用中性點經高阻接地（配電變壓器二次側接小電阻）和消弧線圈（欠補償或諧振）接地方式，上面已經提到這兩種接地方式各有優缺點，所以有必要對這兩種接地方式存在的問題進一步分析，根據機組實際情況，選擇合適的接地方式。

2.中性點消弧線圈接地方式的分析

為了補償對地的容性電流，在發電機中性點采取經消弧線圈接地，從而降低接地故障時的短路電流。這種方式對定子鐵芯損害小，可以支持發電機在故障情況下運行一段時間，提高供電可靠性。

2.1 發電機中性點經消弧線圈接地

假設A相在距離定子繞組中心點α處發生金屬性接地故障，如圖2所示，其中表示α中性點到故障點的繞組占全部繞組的百分數，作近似估計時機端各相對地電勢為：

（3）

由相量圖可以求得故障零序電壓為：

（4）

公式（4）表明，零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。當α=1時，即電機端接地，故障點的零序電壓_d0α最大，等于額定相電壓。零序等效網絡中（圖5），C_f為發電機各相的對地電容，C_w為發電機外部各元件對地電容，L是代表發電機中性點消弧線圈的電感。發電機的正常運行時，經消弧線圈接地示意圖為：

當中性點不接地時，故障點的接地電流為：

（5）

當中性點經消弧線圈接地時，故障點的接地電流為：

（6）

由公式（6）可知，經消弧線圈接地可以補償故障接地的容性電流。在大型發電機變壓器組單元接線的情況下，電容為定值，一般采用欠補償運行方式，即補償的感性電流小于接地容性電流，這樣有利于減小電力變壓器耦合電容傳遞過來的過電壓。由于欠補償在實際應用中使基波零序電壓升高很多，基波零序電壓判據也要相應的根據補償性質改變，從而導致其靈敏度下降，所以實際應用中過補償方式應用反而更多一些，如丹江口電廠和葛洲壩水電站都是采用的過補償。文獻中指出，發電機中性點經消弧線圈接地方式時采用過補償方案，在發電機由于異常情況甩負荷時，頻率升高，感抗增大，容抗降低，這種情況下極易出現諧振過電壓。

2.2 發電機定子接地故障過渡電阻的計算

發電機中性點經消弧線圈接地時，由消弧線圈的二次側注入20Hz電源簡化等效電路圖，如圖5所示：

由上圖可以計算出定子繞組二次側對地導納為：

（7）

根據二次側對地導納折算到一次側的接地負載電阻值為：

（8）

公式（8）中n為消弧線圈變比消弧線圈本身就是一種有氣隙的鐵心電抗器，它的電抗值基本是固定不變的，不會隨著電流大小改變而變化，消弧線圈在正常工作時會產生較大的漏磁通，它的電感一般分為激磁電感和漏電感兩部分。根據計算分析表明，漏感較大，消弧線圈的整個電感值比重最大的就是激磁電感，激磁電感能占到總電感的20%左右，這種情況下就必須把激磁阻抗和漏阻抗分開處理。

3 結束語

大型機組采用發變組單元接線較多，理論上三相繞組對地電容是對稱的且大小沒有什么變化，根據系統的輸配線路不同，這就促使發電機中性點的接地消弧線圈脫諧度必須越小越好，只有脫諧度小了才能達到安全電流的限制要求，所以消弧線圈重要的選擇就是參數的選擇，如果參數選擇不合適，將會造成發電機絕緣損壞，為發電機的穩定運行帶來危害。發電機經消弧線圈接地時，激磁阻抗和漏阻抗是消弧線圈的兩個重要的參數，在外加20Hz電源定子接地保護計算過渡電阻時必須要考慮進去，并降低消弧線圈的變比，才能保證過渡電阻的計算精度，從而提高保護的可靠性與靈敏性。

參考文獻

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（作者單位：中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司）