发电机中性点接地方式的比较分析

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发电机中性点接地方式的比较分析
作者：张程明
来源：《科学与技术》2018年第11期

摘要：本文比较了发电机中性点接地方式，分析了中性点消弧线圈接地方式。
关键词：发电机;中性点;接地
大型发电机的安全运行与其中性点接地方式有很大关系，在选择接地方式时须考虑很多因
素，如定子单相接地时故障电流造成铁心的损害、定子绝缘由于暂态过电压和传递过电压而造
成的损伤、正常运行时的中性点位移电压大小以及发电机中性点接地设备的设计制造工艺等。
经常发生的暂态过电压引起绝缘老化，使得定子接地故障主要发生在发电机机端侧，接地故障
点可能位于定子绕组的任一位置，有时候甚至会在发电机中性点附近发生接地故障。

1.发电机中性点接地方式探讨
发电机中性点经何种方式接地与发电机定子单相接地保护的类型有很大关系，还有接地故
障电流的大小和定子绕组过电压幅值都有很多关联，必须根据现场的运行经验和理论分析相结
合来讨论发电机中性点接地方式，综合考虑诸多相关因素，才能选择最佳的中性点接地方式。

发电机中性点接地方式大致分为以下几种，各有优缺点：
1）绝缘或高阻接地，优点：接地电流小，一般小于10A，成本小。不足：在间歇性接地
故障时，暂态过电压高（2.5-3.5）Uph-E。经配电变压器高阻接地方式可以使接地故障电流比正
常电容电流大以上。由于大容量机组的定子绕组单相对地电容很大，尤其是大型的水轮机组，
发电机定子绕组单相对地电容更大。在三峡水轮机组中，发电机定子三相对地的电容电流就达
到T 30A左右，远远超过允许值。

2）补偿接地或经电抗接地，优点：故障点接地电流小，一般小于10A，不足：产生暂态
过电压（<2.5Uph-E），成本增加。现在发电机采用的都是大机组，机组越

大，电压越高，定子绕组对地电容也越大，而定子绕组接地故障的安全电流也随电压增高
而减少，目前广泛使用。

3）低阻抗接地，目前主要应用于工业系统中的发电机，优点：暂态过电压低，能够为保
护装置提供足够大的电流判据，定子接地保护范围达95%到98%，不足：接地电流大，小于
100-400A，但也远远超过发电机的安全接地电流，故障持续较长时间，对发电机危害很大，铁
芯的烧毁不能避免，目前很少使用。
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根据国际《（IEEE GUIDE FOR GENERATOR GROUND PI的TECTION》标准，他们推
荐大容量发电机组中性点接地方式主要采用中性点经高阻接地（配电变压器二次侧接小电阻）
和消弧线圈（欠补偿或谐振）接地方式，上面已经提到这两种接地方式各有优缺点，所以有必
要对这两种接地方式存在的问题进一步分析，根据机组实际情况，选择合适的接地方式。

2.中性点消弧线圈接地方式的分析
为了补偿对地的容性电流，在发电机中性点采取经消弧线圈接地，从而降低接地故障时的
短路电流。这种方式对定子铁芯损害小，可以支持发电机在故障情况下运行一段时间，提高供
电可靠性。

2.1 发电机中性点经消弧线圈接地
假设A相在距离定子绕组中心点α处发生金属性接地故障，如图2所示，其中表示α中性
点到故障点的绕组占全部绕组的百分数，作近似估计时机端各相对地电势为：

（3）
由相量图可以求得故障零序电压为：
（4）
当中性点不接地时，故障点的接地电流为：
（5）
当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为：
（6）
由公式（6）可知，经消弧线圈接地可以补偿故障接地的容性电流。在大型发电机变压器
组单元接线的情况下，电容为定值，一般采用欠补偿运行方式，即补偿的感性电流小于接地容
性电流，这样有利于减小电力变压器耦合电容传递过来的过电压。由于欠补偿在实际应用中使
基波零序电压升高很多，基波零序电压判据也要相应的根据补偿性质改变，从而导致其灵敏度
下降，所以实际应用中过补偿方式应用反而更多一些，如丹江口电厂和葛洲坝水电站都是采用
的过补偿。文献中指出，发电机中性点经消弧线圈接地方式时采用过补偿方案，在发电机由于
异常情况甩负荷时，频率升高，感抗增大，容抗降低，这种情况下极易出现谐振过电压。

2.2 发电机定子接地故障过渡电阻的计算
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发电机中性点经消弧线圈接地时，由消弧线圈的二次侧注入20Hz电源简化等效电路图，
如图5所示：

由上图可以计算出定子绕组二次侧对地导纳为：
（7）
根据二次侧对地导纳折算到一次侧的接地负载电阻值为：
（8）
公式（8）中n为消弧线圈变比消弧线圈本身就是一种有气隙的铁心电抗器，它的电抗值
基本是固定不变的，不会随着电流大小改变而变化，消弧线圈在正常工作时会产生较大的漏磁
通，它的电感一般分为激磁电感和漏电感两部分。根据计算分析表明，漏感较大，消弧线圈的
整个电感值比重最大的就是激磁电感，激磁电感能占到总电感的20%左右，这种情况下就必须
把激磁阻抗和漏阻抗分开处理。

3 结束语
大型机组采用发变组单元接线较多，理论上三相绕组对地电容是对称的且大小没有什么变
化，根据系统的输配线路不同，这就促使发电机中性点的接地消弧线圈脱谐度必须越小越好，
只有脱谐度小了才能达到安全电流的限制要求，所以消弧线圈重要的选择就是参数的选择，如
果参数选择不合适，将会造成发电机绝缘损坏，为发电机的稳定运行带来危害。发电机经消弧
线圈接地时，激磁阻抗和漏阻抗是消弧线圈的两个重要的参数，在外加20Hz电源定子接地保
护计算过渡电阻时必须要考虑进去，并降低消弧线圈的变比，才能保证过渡电阻的计算精度，
从而提高保护的可靠性与灵敏性。

参考文献
[1]宋建军，高迪军.西门子20Hz电压注入式100%定子接地保护原理与调试[J].电力科學与
工程，201 1，27（8）：38-41

[2]谌争鸣.大型发电机定子接地保护灵敏度分析与整定计算[J].电力系统自动化，2006
（19）：57-60

（作者单位：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司）