三相四线发电机中性点接地的作用
发布时间：2025-06-11 点击：14
三相四线发电机中性点接地的作用
随着电力事业的蓬勃发展，科技的进步，在现有大中型发电机中性点接地选择上，也受到了越来越多的重视。由于过电压、接地故障电流等都直接与发电机接地方式有关，同时还决定着发电机的保护形式， 是直接影响机组安全可靠运行的众多因素之一。目前，国内大中型机组主要有消弧线圈接地方式和接地经高阻接地方式，康明斯发电机厂家在本文中将发电机中性点采用不同接地方式的原因和目的及其方法进行了简单介绍和分析。
一、中性点采用不同接地方式的原因和目的
由于发电机及发电机端所连设备和装置存在大小不等的对地电容， 当发电机绕组发生单相接地等不对称故障时， 接地点流过的故障电流即上述对地电容电流。该电流一般仅数安或数十安。发生故障时， 故障处电弧时断时续， 产生间歇性弧光过电压这将损伤发电机定子绝缘， 造成匝间或相间短路， 扩大事故范围， 严重的将烧伤定子铁芯。当发电机端外部元件发生单相接地故障等不对称性故障时， 同发电机内部接地故障一样， 或由于弧光过电压， 或由于电容电流超过一定数值， 将对发电机和其它设备造成损害。由于上述原因， 发电机中性点要采取不同的接地方式， 主要目地是防止发电机及其它设备遭受不对称故障的危害。具体有以下几方面：
（1）当发电机外部故障时，限制定子一点接地时最大接地电流从而限制定子线圈的机械应力 。
（2）限制故障点电流或故障时间，把故障点的损伤控制到最小．
（3）限制故障时的稳态和暂态过电压大小在安全数值以下，防止设备绝缘遭受破坏。
（4）提供选择性好、灵敏度高的接地保护，以便在定子一点接地时，能准确地发出接地信号或有选择地断开故障发电机，防止发电机突然跳闸对系统和相关设备的冲击。
二、发电机允许单相故障电流值
1988年国际大电网会议公布了17个国家33个电力公司754台发电机中性点接地方式时指出， 99%的发电机在选择发电机中性点接地方式时， 都主张把接地故障电流限制到非常低的水平。
我国早期参照原苏联制定的发电机单相接地电流允许值5a，曾提出当发电机连接的电气回路发生单相接地电流大于5a时，发电机中性点要装设消弧线圈接地。随着大容量，高额定电压发电机的出现， 通过故障点的能量增大， 为防止发电机铁芯烧损， 一般都采用了较小的故障电流允许值。捷克动力研究院曾提出接地故障电流5a将熔化16~17片定子铁心叠片，修复工作艰难，停机时间过长，因此将1.0~1.5a作为接地电流允许值[3]。 我国有关国标和规程对发电机允许单相故障电流值作了规定，见表1发电机中性点接地应满足其要求。
表1发电机允许单相故障电流值
发电机额定电压（kv）
3.15~6.3
10.5
13.8~15.75
18~20
发电机领定容量（mw）
≤50
50~100
100~225
≥300
故障点残余电流（a）
≤4
≤3
≤2
≤1
三、发电机中性点接地方式
由于发电厂和水电站的发电机容量、接线型式、接入系统的不同， 以及人们对发电机和系统运行的要求、习惯不同， 发电机中性点接地方式也不同各有其特点。一般来说，有直接接地、低电阻接地、高电阻接地、电抗器接地、消弧线圈接地和不接地等方式。
1、发电机中性点不接地和直接接地
最简便的方法是发电机中性点不接地， 可减少发电机中性点设备。当发生一点接地 时，定子接地电流小，可以带故障运行一段时间（规定为2小时）但不能限制定子接地弧光过电压。一般10mw以下机组， 可以满足发电机电压回路对地电容电流的要求， 采用不接地方式。在这种情况下， 接地故障的指示信号可以由三相五柱式电压互感器的开口三角线圈零序电压给出， 也可采用三个单相电压互感器提供零序电压。当单机容量为10mw以上， 特别是大中型机组， 己不能满足接地电流的要求。定子接地产生危险的电弧电压其数值可达相电压的4~5倍， 接地电流过大， 烧坏绝缘， 引发严重的事故。为防止中性点过电压， 最直接的办法是将中性点直接接地。但是这样不仅不能减小定子接地电流，反而使接地故障电流加大。在下面的讨论中， 我们还会看到一相接地时的短路电流大大超过三相短路电流等其他方面的不利因素。所以只有在农村的四五百千瓦及以 下，出线电压为0.4kv的小型水轮发电机中性点采用直接接地。
2、发电机中性点经电阻接地
发电机中性点经电阻接地又分为低电阻、中电阻和高电阻方式。低电阻接地方式，其单相接地的故障电流在25a以上，由于发电机中性点低电阻接地，故障电流不仅仅是 发电机及其电压回路的电容电流，故障电流容许值可达到1500a或更大些。高电阻接地方式， 其单相接地电流限制在25a以下。中电阻接地方式， 单相接地电流可能大于25a，但限制其数值不会像低电阻接地那样高。
（1）低电阻接地
低电阻接地通常采用的电阻值为1~15欧，其数值的确定是为了限制最大的单相故障接地电流小于最大的相间故障电流。这种接地方式可以限制弧光接地过电压在安全值以下，但接地电流数值过大。当接地故障电流达到额定电流的1.5倍时， 电阻的短时功率损耗就已经达到发电机额定功率的50%，接地电阻因热容量的限制， 制造困难， 运行中易损坏。从电阻器特性和发电机允许接地电流出发， 要求故障瞬时跳闸， 因而决定了继电保护方案。
一般采用接地差动保护方案来检测发电机定子接地故障。由于接地电流大， 接地继电器灵敏度高， 选择性也好， 故当发电机内部故障动作准确， 瞬时跳闸停机。当发电机外部故障时不动作， 由于低电阻接地人为提高了接地故障电流， 发电机定子单相接地故障时必须瞬时跳闸停机， 这样给系统带来较大冲击， 可在系统中不占主要比重的小容量发电机上采用。在系统中占比重较大的大中型发电机不宜采用。
（2）中电阻接地
这种接地方法采用星-角形接线和曲折接线的变压器，初级绕组与发电机主引出线 相连，在变压器中性点串联电阻接地。等效接地阻抗的选择应能提供足够的电流， 使接保护继电器有选择性动作。这种接地方法适用于发电机无中性点引出或采用三角形接线的发电机。在国际大电网委员会曾作过的发电机中性点实际接地的方法调查中，有140 台发电机占调查总数19%的机组是采用的中电阻方法接地的[4]。
（3）高电阻接地
高电阻接地电阻器电阻数值的确定，要满足电阻器的功率损耗等于或大于发电机及 其电压回路对地电容中的零序无功损耗。这种接地方式可以分两种类型。一种是数值为几百欧至几千欧确定值的高电阻器接地， 同时为配备接地保护在电阻器串联的中性点回路并联一台单相电压互感器。电压互感器和电阻器额定电压按等于或高于发电机相电压选择，为绝缘留有一定裕度。另一种是采用配电变压器接地， 在变压器二次线圈串接电阻器， 由于变压器的作用， 实际选用二次侧电阻值可以很小， 转换到一次侧相当于高电阻接地， 当配电变接在发电机主引出回路， 需三台单相变压器， 一次绕组接成星形与发电机相联， 二次侧和电阻接成串联回路； 当配电变接在发电机中性点回路， 仅需一台单相配电变压器， 这种形式接地即通常所称的配电变压器高阻接地方式， 应用较多。在我国对其看法也不尽相同，在后面的章节再作详细讨论。
高阻接地的第一种类型， 存在一定的问题。在电压互感器上可能反映整个回路任何部位的接地故障， 包括互感器的低压绕组、连接线、发电机绕组， 作用跳闸或报警， 可能因此失去应有的选择性。另一方面， 高压系统的过电压也可能作用于电压互感器， 有引起接地故障指示的危险。高压侧接地故障引起的部分零序电压， 经升压变压器的电容效应，分压传递到低压侧， 其数值的大小取决于变压器变比、高压侧接地方式、故障点位置、变压器中性点接地与否、发电机及变压器的电容量等因素。第二种高阻接地类型基本避免了上述问题。
中性线经高压接地电阻柜连接
3、 发电机中性点经电抗接地
这种接地分中性点电抗器（低感抗）接地、接地故障平衡器（调谐电抗器）接地和消弧线圈接地。
（1）中性点电抗器（低感抗）接地
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随着电力事业的蓬勃发展，科技的进步，在现有大中型发电机中性点接地选择上，也受到了越来越多的重视。由于过电压、接地故障电流等都直接与发电机接地方式有关，同时还决定着发电机的保护形式， 是直接影响机组安全可靠运行的众多因素之一。目前，国内大中型机组主要有消弧线圈接地方式和接地经高阻接地方式，康明斯发电机厂家在本文中将发电机中性点采用不同接地方式的原因和目的及其方法进行了简单介绍和分析。
一、中性点采用不同接地方式的原因和目的
由于发电机及发电机端所连设备和装置存在大小不等的对地电容， 当发电机绕组发生单相接地等不对称故障时， 接地点流过的故障电流即上述对地电容电流。该电流一般仅数安或数十安。发生故障时， 故障处电弧时断时续， 产生间歇性弧光过电压这将损伤发电机定子绝缘， 造成匝间或相间短路， 扩大事故范围， 严重的将烧伤定子铁芯。当发电机端外部元件发生单相接地故障等不对称性故障时， 同发电机内部接地故障一样， 或由于弧光过电压， 或由于电容电流超过一定数值， 将对发电机和其它设备造成损害。由于上述原因， 发电机中性点要采取不同的接地方式， 主要目地是防止发电机及其它设备遭受不对称故障的危害。具体有以下几方面：
（1）当发电机外部故障时，限制定子一点接地时最大接地电流从而限制定子线圈的机械应力 。
（2）限制故障点电流或故障时间，把故障点的损伤控制到最小．
（3）限制故障时的稳态和暂态过电压大小在安全数值以下，防止设备绝缘遭受破坏。
（4）提供选择性好、灵敏度高的接地保护，以便在定子一点接地时，能准确地发出接地信号或有选择地断开故障发电机，防止发电机突然跳闸对系统和相关设备的冲击。
二、发电机允许单相故障电流值
1988年国际大电网会议公布了17个国家33个电力公司754台发电机中性点接地方式时指出， 99%的发电机在选择发电机中性点接地方式时， 都主张把接地故障电流限制到非常低的水平。
我国早期参照原苏联制定的发电机单相接地电流允许值5a，曾提出当发电机连接的电气回路发生单相接地电流大于5a时，发电机中性点要装设消弧线圈接地。随着大容量，高额定电压发电机的出现， 通过故障点的能量增大， 为防止发电机铁芯烧损， 一般都采用了较小的故障电流允许值。捷克动力研究院曾提出接地故障电流5a将熔化16~17片定子铁心叠片，修复工作艰难，停机时间过长，因此将1.0~1.5a作为接地电流允许值[3]。 我国有关国标和规程对发电机允许单相故障电流值作了规定，见表1发电机中性点接地应满足其要求。
表1发电机允许单相故障电流值
发电机额定电压（kv）
3.15~6.3
10.5
13.8~15.75
18~20
发电机领定容量（mw）
≤50
50~100
100~225
≥300
故障点残余电流（a）
≤4
≤3
≤2
≤1
三、发电机中性点接地方式
由于发电厂和水电站的发电机容量、接线型式、接入系统的不同， 以及人们对发电机和系统运行的要求、习惯不同， 发电机中性点接地方式也不同各有其特点。一般来说，有直接接地、低电阻接地、高电阻接地、电抗器接地、消弧线圈接地和不接地等方式。
1、发电机中性点不接地和直接接地
最简便的方法是发电机中性点不接地， 可减少发电机中性点设备。当发生一点接地 时，定子接地电流小，可以带故障运行一段时间（规定为2小时）但不能限制定子接地弧光过电压。一般10mw以下机组， 可以满足发电机电压回路对地电容电流的要求， 采用不接地方式。在这种情况下， 接地故障的指示信号可以由三相五柱式电压互感器的开口三角线圈零序电压给出， 也可采用三个单相电压互感器提供零序电压。当单机容量为10mw以上， 特别是大中型机组， 己不能满足接地电流的要求。定子接地产生危险的电弧电压其数值可达相电压的4~5倍， 接地电流过大， 烧坏绝缘， 引发严重的事故。为防止中性点过电压， 最直接的办法是将中性点直接接地。但是这样不仅不能减小定子接地电流，反而使接地故障电流加大。在下面的讨论中， 我们还会看到一相接地时的短路电流大大超过三相短路电流等其他方面的不利因素。所以只有在农村的四五百千瓦及以 下，出线电压为0.4kv的小型水轮发电机中性点采用直接接地。
2、发电机中性点经电阻接地
发电机中性点经电阻接地又分为低电阻、中电阻和高电阻方式。低电阻接地方式，其单相接地的故障电流在25a以上，由于发电机中性点低电阻接地，故障电流不仅仅是 发电机及其电压回路的电容电流，故障电流容许值可达到1500a或更大些。高电阻接地方式， 其单相接地电流限制在25a以下。中电阻接地方式， 单相接地电流可能大于25a，但限制其数值不会像低电阻接地那样高。
（1）低电阻接地
低电阻接地通常采用的电阻值为1~15欧，其数值的确定是为了限制最大的单相故障接地电流小于最大的相间故障电流。这种接地方式可以限制弧光接地过电压在安全值以下，但接地电流数值过大。当接地故障电流达到额定电流的1.5倍时， 电阻的短时功率损耗就已经达到发电机额定功率的50%，接地电阻因热容量的限制， 制造困难， 运行中易损坏。从电阻器特性和发电机允许接地电流出发， 要求故障瞬时跳闸， 因而决定了继电保护方案。
一般采用接地差动保护方案来检测发电机定子接地故障。由于接地电流大， 接地继电器灵敏度高， 选择性也好， 故当发电机内部故障动作准确， 瞬时跳闸停机。当发电机外部故障时不动作， 由于低电阻接地人为提高了接地故障电流， 发电机定子单相接地故障时必须瞬时跳闸停机， 这样给系统带来较大冲击， 可在系统中不占主要比重的小容量发电机上采用。在系统中占比重较大的大中型发电机不宜采用。
（2）中电阻接地
这种接地方法采用星-角形接线和曲折接线的变压器，初级绕组与发电机主引出线 相连，在变压器中性点串联电阻接地。等效接地阻抗的选择应能提供足够的电流， 使接保护继电器有选择性动作。这种接地方法适用于发电机无中性点引出或采用三角形接线的发电机。在国际大电网委员会曾作过的发电机中性点实际接地的方法调查中，有140 台发电机占调查总数19%的机组是采用的中电阻方法接地的[4]。
（3）高电阻接地
高电阻接地电阻器电阻数值的确定，要满足电阻器的功率损耗等于或大于发电机及 其电压回路对地电容中的零序无功损耗。这种接地方式可以分两种类型。一种是数值为几百欧至几千欧确定值的高电阻器接地， 同时为配备接地保护在电阻器串联的中性点回路并联一台单相电压互感器。电压互感器和电阻器额定电压按等于或高于发电机相电压选择，为绝缘留有一定裕度。另一种是采用配电变压器接地， 在变压器二次线圈串接电阻器， 由于变压器的作用， 实际选用二次侧电阻值可以很小， 转换到一次侧相当于高电阻接地， 当配电变接在发电机主引出回路， 需三台单相变压器， 一次绕组接成星形与发电机相联， 二次侧和电阻接成串联回路； 当配电变接在发电机中性点回路， 仅需一台单相配电变压器， 这种形式接地即通常所称的配电变压器高阻接地方式， 应用较多。在我国对其看法也不尽相同，在后面的章节再作详细讨论。
高阻接地的第一种类型， 存在一定的问题。在电压互感器上可能反映整个回路任何部位的接地故障， 包括互感器的低压绕组、连接线、发电机绕组， 作用跳闸或报警， 可能因此失去应有的选择性。另一方面， 高压系统的过电压也可能作用于电压互感器， 有引起接地故障指示的危险。高压侧接地故障引起的部分零序电压， 经升压变压器的电容效应，分压传递到低压侧， 其数值的大小取决于变压器变比、高压侧接地方式、故障点位置、变压器中性点接地与否、发电机及变压器的电容量等因素。第二种高阻接地类型基本避免了上述问题。
中性线经高压接地电阻柜连接
3、 发电机中性点经电抗接地
这种接地分中性点电抗器（低感抗）接地、接地故障平衡器（调谐电抗器）接地和消弧线圈接地。
（1）中性点电抗器（低感抗）接地
柴油发电机喷油泵试验台——燃油系统运转循环及传动系统的构成
工矿企业使用的柴油发电机需要哪些特殊配置？
国三环保玉柴_沃尔沃_康明斯柴油发电机组
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低温条件下康明斯柴油发电机进气系统受影响吗？
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