发电机中性点接地方式如何选择
发布时间：2025-04-05 点击：48
发电机中性点接地方式的选择方法分析
尽管发电机接地方式有好几种，但从康明斯公司分析来看，对大中型发电机组直接接地和不接地明显满足不了发电机安全稳定运行的要求。对接地故障平衡器接地，国外应用较成功，在我国没有实际运行经验。同样，接地电阻器也有应用于大中型机组的实例，在我国应用很少，单相pt接地缺点较明显，不适合大中型机组接地的要求。在我国发电机中性点接地方式主要有消弧线圈接地和接地变压器接地，康明斯公司在文章中对大中型发电机组上述两种接地方式选择进行综合分析。
一、选择两种接地方式的相关因素
1、与电力系统的关系
消弧线圈接地减小了接地故障点的故障电流，消除了间歇电弧引起的过电压，允许发电机组带故障继续运行2h，便于组织抢修或减负荷停机，从而避免或减小对系统的冲击和对用户的影响。
我国早期电力发展滞后，电力网小，单机所占比重较大，单机突然切除对电网冲击大，严重影响用户负荷。采用消弧线圈接地上述优点是明显的，是与我国的电力系统状况相适应的。改革开放以来，我国电力系统得到了迅速发展，尽管单机容量越来越大，但其容量占所接入的系统容量比重却相对较小，单机故障保护动作于发信、转移负荷尽快停机或跳闸、灭磁瞬时停机，对系统不产生冲击或冲击很小，同时由于系统备用容量较大，不会切除系统用户。特别是近年来电厂(站)自动化水平大大提高，采用“无人值班，少人值守”进行设计的电站已成为现实。采用消弧线圈延长发电机组运行己没有必要。
采用接地变压器接地，由于接地故障电流大于消弧线圈接地，单机故障保护动作于发信、转移负荷尽快停机或跳闸、灭磁瞬时停机，目前的电力系统是允许的，从而为发电机中性点接地多提供了一种选择方式。由此看来，电力系统是影响发电机中性点接地方式选择的一个主要因素。
仅就满足系统要求来看，无法确定两种接地方式孰优孰劣。
2、与制造生产的关系
由于消弧线圈在我国已有多年的运行历史，生产制造不成问题。但在电站采用接地变高阻接地的方式呈上升趋势，发电机组用户采用这种接地方式的也为数不少案例。理论和实践均已证明采用消弧线圈和接地变都是可行的。
由于利用了变压器短时过载特性，变压器容量仅为相应消弧线圈容量的1/3~1/6。同时接地变不像消弧线圈需调节分接头，制造较简单。因而接地变较消弧线圈应该是经济的。但接地变多在大中型机组选用，使用数量小，生产厂家较少。又由于订货数量小，厂家不愿意接受，生产模具设计制造一套成本高，接地变及保护装置要价也就较高，限制了推广使用。当然，事实上能否做到经济，取决于今后的接地方式发展实践。接地方式的选择不是一个纯技术的问题，经济指标也很重要。
接地变容量小，可以和保护继电器放在一个箱体内，占地面积小，便于布置，这在水电站也是一个优点。
从制造生产来看，两种接地装置都可生产，就一般容量为中小型机组看，设计选用接地变接地还不容易让业主接受，选厂较难一些。
在我国，较大型机组的中性点接地，不少设计单位尊重发电机厂意见，或由主机厂设计，配套供货。所以发电机厂的设计经验和习惯也是影响发电机中性点接地方式选择的因素。
二、接地故障电流问题
接地变高阻接地故障电流较大，一般认为是接地电容电流的2倍。在第4章推导中，可以看出，接地变电抗较大时，接地故障电流也可能减小。不过一般情况还是比消弧线圈接地故障电流要大。接地装置就是要限制接地故障电流，接地变接地故障电流反而加大了，在此方面看来，发电机中性点采用消弧线圈接地更有优势一些。
三、过电压问题
过电压是两种接地方式都不能回避的问题，一般分动态过电压和传递过电压及谐振过电压。耦合传递过电压和直接传递过电压，只要设计时参数取得适当，能满足继电保护的要求，对设备不会构成威胁。当回路容抗和感抗接近时，如果发生单相接地或断路器不同期操作，会在发电机相接的变压器或电压互感器之间出现谐振过电压，危及发电机绝缘。但实际发生的机率很小，尚未发现因采用消弧线圈产生危险过电压的实例。
已有的动态过电压研究结果是基于暂态网络分析仪进行的，对其结果的认识也不一致。图1中曲线1是ge公司p．g．brown等人研究的结果，曲线2是我国清华大学的实验结果，曲线3是美国m．v．hadded等人研究的结果[3]。上述3条曲线都是对应发电机中性点消弧线圈接地的情况，当发生单相故障时发生重燃，甩负荷等条件下，频率偏离工作频率时最大暂态过电压。由于是全补偿，电感和电容处于谐振状态，故称谐振接地。所不同的是，p．g．brown等人用纯电感模拟消弧线圈，m．v．hadded等人计入了消弧线圈的有功损耗电阻，我国清华大学的实验计入了消弧线圈的有功损耗电阻，同时采用了分布参数计算模拟。曲线4为接地变高阻接地时的最大暂态过电压。
发电机谐振接地和高阻接地的暂态过电压
从图中可以看到，由于忽略消弧线圈的电阻成分，过电压倍数较高。正如研究者所述，试验结果偏高，仅用作两种接地方式的比较。消弧线圈接地实际暂态过电压一般不超过正常值的3倍。
接地变高阻接地，由于电阻值较大，回路阻尼率增大，避免了谐振过电压的出现，保证暂态过电压不超过2．6倍正常工作电压。从图中可以看到，高阻接地的过电压倍数在2.5左右。
有人认为，正常频率下消弧线圈接地过电压小于接地变高阻方式下的过电压，所以消弧线圈接地优于接地变高阻接地，其实不然。首先，接地变本身也含电感成分，不知实验研究者计入此成分否，如果没计入，就不能断定额定频率下接地变高阻接地过电压高。其次，额定频率下谐振接地过电压低是在单相接地故障条件下的结论，并非长期运行的工作状态，持续时间短，追求较低的过电压意义不大。相反，由于甩负荷等，频率偏移较大，可以看出，当频率偏移时，消弧线圈接地远较接地变高阻接地过电压为大。
从上述过电压分析看，消弧线圈接地比接地变高阻接地要差一些，至少不比高阻接地方式优越。实际我国发电机中性点消弧线圈接地都采用欠补偿，没有上述研究曲线针对的谐振接地情况，所以就过电压看，还不能断言哪种接地方式一定优于另一种接地方式。
四、发电机定子接地保护问题
1、接地保护的投运方式
保护投运方式以前按接地电流大于5a时投跳闸，小于5a时投信号。八十年代开始，参照我国有关发电机单相接地电流允许值的规定，当接地电流超过允许电流时投跳闸，否则投信号。从这一点看，消弧线圈接地要延长发电机带故障运行时间，而接地变高阻接地故障电流较大，将是瞬时跳闸，对保护发电机有利。当然对汽轮机组启停一次可能影响大一些。但实际上大多数厂家按120mw及以下的发电机定子接地只投信号，200w及以上机组才投跳闸的保护方式运行。
2、发电机定子100%接地保护
发电机100%定子接地保护构成方式有多种形式。较传统的是基波零序和三次谐波共同构成的。对于接地变高阻接地，较普遍的观点认为，接地变高阻接地将使采用三次谐波保护的灵敏度下降。但按发电机对地电容为c0=0.1μf，发电机中性点发生接地故障，过渡电阻在几千欧。当对地电容增大，无论哪种接地方式，灵敏度都要下降。特别是为了提高灵敏度，保护装置的动作判别式相应发生变化，一般趋于复杂化，理论和实践都发现难于调整，误动作率较高。所以，如果说三次谐波保护存在问题的话，无论对哪种接地方式都是一样的。
对于外加直流或交流低频电源式定子接地保护，宜选用交流低频式。在抗干扰、提高灵敏度方面较三次谐波保护具有突出的优点。但装置造价要高一些。从发展趋势看，这种保护方式在大型机组上采用的越来越多。
将配电变压器换成消弧线圈或单相tv，从上面的分析看，根本达不到减小发电机定子绕组绝缘破坏时对发电机的危害及提高定子接地保护的可靠性和灵敏度的目的，缺点还很多。
综上所述，发电机中性点接地方式在电站以接地变高阻接地稍微具有优势，一是减少占地面积，二是机组启停机较汽轮机容易。汽轮发电机组采用何种接地方式，一般应作具体比较确定。
五、结论
1．由于发电机对地电容的存在，故障后接地电流过大。随着发电机容量的增大电压等级的提高，故障的危害越大，发电机中性点必须考虑接地措施。
2．发电机中性点直接接地，可限制故障时的过电压，但接地电流过大，所以一般发电机中性点经接地装置接地，由于接地装置不同接地方式也就不同。对发电机容量在0.5mw左右，出线电压为0.4kv的农村小水电站机组中性点可直接接地；小于规定的发电机接地故障电流残值的发电机组，可不接地；其余情况的发电机组中性点必须经接地装置接地。
3．接地方式由于发电机组容量和电压等级的不同而不同，加之接入系统的要求和设计使用习惯不同，接地方式有多种形式，各具优缺点。在国内大中型机组接地方面，有经单相pt接地的，多数专家学者认为其缺点很多，不宜推荐。实际运行和设计施工中的大中型单元接线的发电机组，主要有消弧线圈接地和接地变(也称配电变)二次带电阻的高阻接地两种方式。
4．消弧线圈接地，要按欠补偿设计，同时参数计算要考虑故障后的残流不能过大，直接传递过电压和电容耦合传递过电压按照保护等方面的要求，要限制在适当数值之下，一般可人为加大消弧线圈的电阻。参数设计得当，一般不会产生危险的过电压和谐振。
5．消弧线圈接地方式补偿
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尽管发电机接地方式有好几种，但从康明斯公司分析来看，对大中型发电机组直接接地和不接地明显满足不了发电机安全稳定运行的要求。对接地故障平衡器接地，国外应用较成功，在我国没有实际运行经验。同样，接地电阻器也有应用于大中型机组的实例，在我国应用很少，单相pt接地缺点较明显，不适合大中型机组接地的要求。在我国发电机中性点接地方式主要有消弧线圈接地和接地变压器接地，康明斯公司在文章中对大中型发电机组上述两种接地方式选择进行综合分析。
一、选择两种接地方式的相关因素
1、与电力系统的关系
消弧线圈接地减小了接地故障点的故障电流，消除了间歇电弧引起的过电压，允许发电机组带故障继续运行2h，便于组织抢修或减负荷停机，从而避免或减小对系统的冲击和对用户的影响。
我国早期电力发展滞后，电力网小，单机所占比重较大，单机突然切除对电网冲击大，严重影响用户负荷。采用消弧线圈接地上述优点是明显的，是与我国的电力系统状况相适应的。改革开放以来，我国电力系统得到了迅速发展，尽管单机容量越来越大，但其容量占所接入的系统容量比重却相对较小，单机故障保护动作于发信、转移负荷尽快停机或跳闸、灭磁瞬时停机，对系统不产生冲击或冲击很小，同时由于系统备用容量较大，不会切除系统用户。特别是近年来电厂(站)自动化水平大大提高，采用“无人值班，少人值守”进行设计的电站已成为现实。采用消弧线圈延长发电机组运行己没有必要。
采用接地变压器接地，由于接地故障电流大于消弧线圈接地，单机故障保护动作于发信、转移负荷尽快停机或跳闸、灭磁瞬时停机，目前的电力系统是允许的，从而为发电机中性点接地多提供了一种选择方式。由此看来，电力系统是影响发电机中性点接地方式选择的一个主要因素。
仅就满足系统要求来看，无法确定两种接地方式孰优孰劣。
2、与制造生产的关系
由于消弧线圈在我国已有多年的运行历史，生产制造不成问题。但在电站采用接地变高阻接地的方式呈上升趋势，发电机组用户采用这种接地方式的也为数不少案例。理论和实践均已证明采用消弧线圈和接地变都是可行的。
由于利用了变压器短时过载特性，变压器容量仅为相应消弧线圈容量的1/3~1/6。同时接地变不像消弧线圈需调节分接头，制造较简单。因而接地变较消弧线圈应该是经济的。但接地变多在大中型机组选用，使用数量小，生产厂家较少。又由于订货数量小，厂家不愿意接受，生产模具设计制造一套成本高，接地变及保护装置要价也就较高，限制了推广使用。当然，事实上能否做到经济，取决于今后的接地方式发展实践。接地方式的选择不是一个纯技术的问题，经济指标也很重要。
接地变容量小，可以和保护继电器放在一个箱体内，占地面积小，便于布置，这在水电站也是一个优点。
从制造生产来看，两种接地装置都可生产，就一般容量为中小型机组看，设计选用接地变接地还不容易让业主接受，选厂较难一些。
在我国，较大型机组的中性点接地，不少设计单位尊重发电机厂意见，或由主机厂设计，配套供货。所以发电机厂的设计经验和习惯也是影响发电机中性点接地方式选择的因素。
二、接地故障电流问题
接地变高阻接地故障电流较大，一般认为是接地电容电流的2倍。在第4章推导中，可以看出，接地变电抗较大时，接地故障电流也可能减小。不过一般情况还是比消弧线圈接地故障电流要大。接地装置就是要限制接地故障电流，接地变接地故障电流反而加大了，在此方面看来，发电机中性点采用消弧线圈接地更有优势一些。
三、过电压问题
过电压是两种接地方式都不能回避的问题，一般分动态过电压和传递过电压及谐振过电压。耦合传递过电压和直接传递过电压，只要设计时参数取得适当，能满足继电保护的要求，对设备不会构成威胁。当回路容抗和感抗接近时，如果发生单相接地或断路器不同期操作，会在发电机相接的变压器或电压互感器之间出现谐振过电压，危及发电机绝缘。但实际发生的机率很小，尚未发现因采用消弧线圈产生危险过电压的实例。
已有的动态过电压研究结果是基于暂态网络分析仪进行的，对其结果的认识也不一致。图1中曲线1是ge公司p．g．brown等人研究的结果，曲线2是我国清华大学的实验结果，曲线3是美国m．v．hadded等人研究的结果[3]。上述3条曲线都是对应发电机中性点消弧线圈接地的情况，当发生单相故障时发生重燃，甩负荷等条件下，频率偏离工作频率时最大暂态过电压。由于是全补偿，电感和电容处于谐振状态，故称谐振接地。所不同的是，p．g．brown等人用纯电感模拟消弧线圈，m．v．hadded等人计入了消弧线圈的有功损耗电阻，我国清华大学的实验计入了消弧线圈的有功损耗电阻，同时采用了分布参数计算模拟。曲线4为接地变高阻接地时的最大暂态过电压。
发电机谐振接地和高阻接地的暂态过电压
从图中可以看到，由于忽略消弧线圈的电阻成分，过电压倍数较高。正如研究者所述，试验结果偏高，仅用作两种接地方式的比较。消弧线圈接地实际暂态过电压一般不超过正常值的3倍。
接地变高阻接地，由于电阻值较大，回路阻尼率增大，避免了谐振过电压的出现，保证暂态过电压不超过2．6倍正常工作电压。从图中可以看到，高阻接地的过电压倍数在2.5左右。
有人认为，正常频率下消弧线圈接地过电压小于接地变高阻方式下的过电压，所以消弧线圈接地优于接地变高阻接地，其实不然。首先，接地变本身也含电感成分，不知实验研究者计入此成分否，如果没计入，就不能断定额定频率下接地变高阻接地过电压高。其次，额定频率下谐振接地过电压低是在单相接地故障条件下的结论，并非长期运行的工作状态，持续时间短，追求较低的过电压意义不大。相反，由于甩负荷等，频率偏移较大，可以看出，当频率偏移时，消弧线圈接地远较接地变高阻接地过电压为大。
从上述过电压分析看，消弧线圈接地比接地变高阻接地要差一些，至少不比高阻接地方式优越。实际我国发电机中性点消弧线圈接地都采用欠补偿，没有上述研究曲线针对的谐振接地情况，所以就过电压看，还不能断言哪种接地方式一定优于另一种接地方式。
四、发电机定子接地保护问题
1、接地保护的投运方式
保护投运方式以前按接地电流大于5a时投跳闸，小于5a时投信号。八十年代开始，参照我国有关发电机单相接地电流允许值的规定，当接地电流超过允许电流时投跳闸，否则投信号。从这一点看，消弧线圈接地要延长发电机带故障运行时间，而接地变高阻接地故障电流较大，将是瞬时跳闸，对保护发电机有利。当然对汽轮机组启停一次可能影响大一些。但实际上大多数厂家按120mw及以下的发电机定子接地只投信号，200w及以上机组才投跳闸的保护方式运行。
2、发电机定子100%接地保护
发电机100%定子接地保护构成方式有多种形式。较传统的是基波零序和三次谐波共同构成的。对于接地变高阻接地，较普遍的观点认为，接地变高阻接地将使采用三次谐波保护的灵敏度下降。但按发电机对地电容为c0=0.1μf，发电机中性点发生接地故障，过渡电阻在几千欧。当对地电容增大，无论哪种接地方式，灵敏度都要下降。特别是为了提高灵敏度，保护装置的动作判别式相应发生变化，一般趋于复杂化，理论和实践都发现难于调整，误动作率较高。所以，如果说三次谐波保护存在问题的话，无论对哪种接地方式都是一样的。
对于外加直流或交流低频电源式定子接地保护，宜选用交流低频式。在抗干扰、提高灵敏度方面较三次谐波保护具有突出的优点。但装置造价要高一些。从发展趋势看，这种保护方式在大型机组上采用的越来越多。
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综上所述，发电机中性点接地方式在电站以接地变高阻接地稍微具有优势，一是减少占地面积，二是机组启停机较汽轮机容易。汽轮发电机组采用何种接地方式，一般应作具体比较确定。
五、结论
1．由于发电机对地电容的存在，故障后接地电流过大。随着发电机容量的增大电压等级的提高，故障的危害越大，发电机中性点必须考虑接地措施。
2．发电机中性点直接接地，可限制故障时的过电压，但接地电流过大，所以一般发电机中性点经接地装置接地，由于接地装置不同接地方式也就不同。对发电机容量在0.5mw左右，出线电压为0.4kv的农村小水电站机组中性点可直接接地；小于规定的发电机接地故障电流残值的发电机组，可不接地；其余情况的发电机组中性点必须经接地装置接地。
3．接地方式由于发电机组容量和电压等级的不同而不同，加之接入系统的要求和设计使用习惯不同，接地方式有多种形式，各具优缺点。在国内大中型机组接地方面，有经单相pt接地的，多数专家学者认为其缺点很多，不宜推荐。实际运行和设计施工中的大中型单元接线的发电机组，主要有消弧线圈接地和接地变(也称配电变)二次带电阻的高阻接地两种方式。
4．消弧线圈接地，要按欠补偿设计，同时参数计算要考虑故障后的残流不能过大，直接传递过电压和电容耦合传递过电压按照保护等方面的要求，要限制在适当数值之下，一般可人为加大消弧线圈的电阻。参数设计得当，一般不会产生危险的过电压和谐振。
5．消弧线圈接地方式补偿
柴油发电机轴承的直接影响运行的可靠性
康明斯柴油发电机工厂的隔音罩测试车间介绍
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教你柴油发电机组的省油技巧
冬季使用柴油发电机组需要注意的四大事项
保证燃油清洁是发电机燃油系统使用和维护的最根本问题
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