发电机中性点经消弧线圈接地补偿方式和作用
发布时间：2023-09-30 点击：573
发电机中性点经消弧线圈接地补偿方式和作用
消弧线圈无论在输变电系统， 还是在柴油发电机组中性点接地方面都得到了广泛应用。当发生单相故障时， 由于消弧线圈接地产生感性电流， 充分补偿了故障电容电流， 减小了接地故障电流及燃弧的可能性， 所以柴油发电机可以持续运行一段时间。消弧线圈这一特点在我国电力系统发展的早期， 无疑是最适合要求和得以普遍采用的主要原因。近年来特别在高压柴油发电机中性点接地方面， 选择配电变压器二次线圈带电阻的高阻接地方式较多， 但还不可能用一种形式完全取代另一种形式， 目前柴油发电机中性点采用消弧线圈接地还有相当的数量， 设计选择什么方式， 要具体做充分的技术经济比较。
一、 消弧线圈的结构特点
早在1916年由彼得逊（w．petersen）首先提出了消弧线圈的概念。他全面研究了同电力系统中接地故障有关的各种问题， 不仅提供了解决问题的途径， 还为运行中可能出现的各种问题， 创建了完备的理论基础， 并于1917年安装了世界上首台消弧线圈装置。因此，消弧线圈又称彼得逊线圈（petersencoil）。
消弧线圈的外形和单相变压器相似，而内部实际上是一个具有分段（带间隙）铁芯的 电感线圈。间隙是沿着整个铁芯分布的， 以便减少漏磁。采用带间隙铁芯的目的是为了在较小的电感下， 增大消弧线圈的容量， 以及使电感值变化比较平稳， 从而保证在整定好的调谐值之下运行。每一消弧线圈， 均有调节补偿电流的分接头， 利用切换器在一定的范围内改变线圈的匝数， 就可以获得不同数值的补偿电流。目前已经能够设计和制造连续平滑调整电感数值的消弧线圈，用于发电机中性点接地。
消弧线圈分油浸式和干式两种， 油浸式消弧线圈铁心与线圈均浸在变压器油中， 干式则为环氧浇注结构。
二、消弧线圈的选择
1、型式及参数的选择
消弧线圈一般选用油浸式， 因发电机位于户内， 在屋内相对湿度小于80%的环境条件下，也可选用干式。
当消弧线圈的铁心饱和后， 电抗下降， 激磁电流急剧上升。所以， 为防止消弧线圈的铁心饱和，消弧线圈的伏安特性起始饱和电压一般要求不低于1.1~1.15倍额定相电压。运行经验及研究证明， 消弧线圈的起始饱和电压过低， 铁心饱和， 运行中可能引起消弧线圈异常动作，最好在出厂前要求制造厂进行伏安特性试验。
从绝缘考虑，为留有一定裕度，选择消弧线圈的额定电压等于发电机的额定电压，即线电压，一般还要对海拔高度、地震裂度、环境温度等环境条件作相应校验。
2、容量及分接头的选择
消弧线圈的补偿容量一般按下式计算：
q= kxhic（un/√3）......................（公式1）
式中，q—消弧线圈的补偿容量（kva） ；
kxh—系数，过补偿取1.35 ；欠补偿按脱谐度确定；
ic—发电机回路的计算电容电流（a）；
un—发电机回路的额定电压（kv）。
脱谐度， v=il -ic/ ic，kxh= il /ic其中il为消弧线圈电感电流，单位为安培。过补偿方式，即消弧线圈感性电流大于发电机容性电流， v<0；欠补偿方式，即消弧线圈感性电流小于发电机容性电流， v>0。
对于安装在电网变压器中性点的消弧线圈， 采用过补偿方式。对于安装在采用单元连接的发电机中性点的消弧线圈， 为了限制电容耦合传递过电压， 以及频率变动等对发电机中性点电压的影响， 一般采用欠补偿方式。考虑到限制传递过电压等因素， 在正常情况下，脱谐度不宜超过±30%。
电容电流的计算，包括发电机及其电压回路的设备和连接线对地电容电流。
ic= un / 3xoc= 3ωco（un/ 3）......................（公式2）
式中，xoc—发电机回路电抗（ω ） ，xoc= 1/3ωco ；
co—发电机回路每相对地电容（f）；
ω—发电机角频率， ω= 2πf。
发电机中性点消弧线圈调谐要求比较严格，为满足发电机定子接地保护和调谐要求，优选具有可连续调节的消弧线圈。否则，电流分接头最好不低于9个。
3、 消弧线圈有功损耗的等效电阻
消弧线圈的等效电路如图1。电阻和电感对应图 1（a）、（b）分别为rl、lr 和rl、lr。
设消弧线圈的有功损耗为pr，消弧线圈的无功功率为 pq，则
pr=ux（2）/ rl; pq= uxil= ux（2）⋅ 3ωco，所以
pr/ pq=p%/ 100 = （ux/ rl）/ il=（1 /rl） / 3ωco
∴ rl= 100ux /ilp% = 100 /3ωcop%......................（公式3）
式中： ux—发电机相电压， v；
il—消弧线圈工作电流， a；
p% —有功损失比百分值pr/pq，一般为2左右； 当附加电阻限制耦合电容传递过电压时，一般为4左右。
图1 发电机消弧线圈等效电路图
已知图 1（a），则图 1（b）中参数为
rl =rlω2lr 2/ rl2 +ω2lr2
ωlr = rl2 +ω2lr2 / rl2ω2lr
已知图 1（b），则图 1（a）中参数为
1/ rl = rl/ rl2 +ω2lr2
1/ ωlr= ωrl/ rl2 +ω2lr2
二、正常运行和单相接地故障时的基波零序电压和电流
1、正常运行情况
为了讨论发电机中性点位移电压，将发电机表示成图2，三相对地电容c1、c2 、c3彼此互不相等， l和gl表示消弧线圈的等值电感和电导， e1 、e2 、e3 为发电机三相电势。
图2 发电机正常运行时的中性点电压
先讨论没有消弧线圈的情况， 由于c1 ≠c2 ≠c3 ，即使三相电势完全对称， 中性点仍有电压ubd按基尔霍夫定律节点电压法：
再看接入消弧线圈后中性点电压，设其为u0，即图2(b)中电感l上的压降。应用 等效发电机原理，得
......................（公式4）
式中，vc—消弧线圈脱谐度；
d—发电机电压网络阻尼率；
ir—发电机电压网络电阻泄漏电流；
ex—发电机相电压；
ubd—发电机电压网络不对称电压。
由式（4）可知，如果在谐振条件下且消弧线圈为纯电感，则vc=0 ，d=0，即使三相 对地电容略有不同， 出现微小的不对称电压， 也会使消弧线圈谐振接地的发电机中性点电压趋于无穷大。实际上谐振接地方式的消弧线圈并非纯电感， 有的人为加大其电阻（串联电阻rl），使 gl≠0 ，d≠0，这时即使有ubd≠0，但v ≠0，中性点电压将受到限制（在电阻小于感抗的条件下，增大rl ，rl减小， gl增大，阻尼率d增大；当接地变接地时，电阻大于感抗，增大rl ，反而使阻尼率d减小）。所以，从限制正常运行中性点电压看，一般发电机中性点消弧线圈脱谐度不取零值， 越大越好， 但其取值大小还要受传递过电压和故障点残流的限制， 因而要综合比较确定。当限制电压u0 时，适当增加阻尼系数d（一般为 0.04~0.25 左右），即增加消弧线圈的电阻rl ，此时等效电阻为
rl= 1 / gl= 1 / 3ωcod = 100 / 3ωcop%......................（公式5）
2、 单相接地故障情况
（1） 单相接地故障电流
在讨论和计算单相接地故障时的基波零序电压和电流时， 三相电源电势和三相对地 电容将视为完全对称。首先从金属性短路开始讨论， 设故障点位于定子绕组 a 相距中性点α处，见图3（a） α为中性点到故障点的匝数占总匝数的百分比，定子绕组感抗远小于定子对地容抗， 所以忽略定子绕组感抗和感抗压降， 这样零序电压即是发电机中性点的位移点压，也是定子绕组任意相和任意点的零序电压，即
......................（公式6）
当故障点在机端时，α=1.0 ，u0=ex（相电势）；当故障点在中性点时，α=0 ，u0=0。发电机单相接地时零序电压与与短路点的关系见图3（b）。进一步分析经过渡电阻rd发生单相接地的情况，其等效复合序网和等效电路如图4。故障点将e（ .）x分成 αe（ .）x和(1−α）e .x两部分， 发电机每相电容c0 也分成αc0 和（1−α）c0 两部分， 每一部分均用
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一、 消弧线圈的结构特点
早在1916年由彼得逊（w．petersen）首先提出了消弧线圈的概念。他全面研究了同电力系统中接地故障有关的各种问题， 不仅提供了解决问题的途径， 还为运行中可能出现的各种问题， 创建了完备的理论基础， 并于1917年安装了世界上首台消弧线圈装置。因此，消弧线圈又称彼得逊线圈（petersencoil）。
消弧线圈的外形和单相变压器相似，而内部实际上是一个具有分段（带间隙）铁芯的 电感线圈。间隙是沿着整个铁芯分布的， 以便减少漏磁。采用带间隙铁芯的目的是为了在较小的电感下， 增大消弧线圈的容量， 以及使电感值变化比较平稳， 从而保证在整定好的调谐值之下运行。每一消弧线圈， 均有调节补偿电流的分接头， 利用切换器在一定的范围内改变线圈的匝数， 就可以获得不同数值的补偿电流。目前已经能够设计和制造连续平滑调整电感数值的消弧线圈，用于发电机中性点接地。
消弧线圈分油浸式和干式两种， 油浸式消弧线圈铁心与线圈均浸在变压器油中， 干式则为环氧浇注结构。
二、消弧线圈的选择
1、型式及参数的选择
消弧线圈一般选用油浸式， 因发电机位于户内， 在屋内相对湿度小于80%的环境条件下，也可选用干式。
当消弧线圈的铁心饱和后， 电抗下降， 激磁电流急剧上升。所以， 为防止消弧线圈的铁心饱和，消弧线圈的伏安特性起始饱和电压一般要求不低于1.1~1.15倍额定相电压。运行经验及研究证明， 消弧线圈的起始饱和电压过低， 铁心饱和， 运行中可能引起消弧线圈异常动作，最好在出厂前要求制造厂进行伏安特性试验。
从绝缘考虑，为留有一定裕度，选择消弧线圈的额定电压等于发电机的额定电压，即线电压，一般还要对海拔高度、地震裂度、环境温度等环境条件作相应校验。
2、容量及分接头的选择
消弧线圈的补偿容量一般按下式计算：
q= kxhic（un/√3）......................（公式1）
式中，q—消弧线圈的补偿容量（kva） ；
kxh—系数，过补偿取1.35 ；欠补偿按脱谐度确定；
ic—发电机回路的计算电容电流（a）；
un—发电机回路的额定电压（kv）。
脱谐度， v=il -ic/ ic，kxh= il /ic其中il为消弧线圈电感电流，单位为安培。过补偿方式，即消弧线圈感性电流大于发电机容性电流， v<0；欠补偿方式，即消弧线圈感性电流小于发电机容性电流， v>0。
对于安装在电网变压器中性点的消弧线圈， 采用过补偿方式。对于安装在采用单元连接的发电机中性点的消弧线圈， 为了限制电容耦合传递过电压， 以及频率变动等对发电机中性点电压的影响， 一般采用欠补偿方式。考虑到限制传递过电压等因素， 在正常情况下，脱谐度不宜超过±30%。
电容电流的计算，包括发电机及其电压回路的设备和连接线对地电容电流。
ic= un / 3xoc= 3ωco（un/ 3）......................（公式2）
式中，xoc—发电机回路电抗（ω ） ，xoc= 1/3ωco ；
co—发电机回路每相对地电容（f）；
ω—发电机角频率， ω= 2πf。
发电机中性点消弧线圈调谐要求比较严格，为满足发电机定子接地保护和调谐要求，优选具有可连续调节的消弧线圈。否则，电流分接头最好不低于9个。
3、 消弧线圈有功损耗的等效电阻
消弧线圈的等效电路如图1。电阻和电感对应图 1（a）、（b）分别为rl、lr 和rl、lr。
设消弧线圈的有功损耗为pr，消弧线圈的无功功率为 pq，则
pr=ux（2）/ rl; pq= uxil= ux（2）⋅ 3ωco，所以
pr/ pq=p%/ 100 = （ux/ rl）/ il=（1 /rl） / 3ωco
∴ rl= 100ux /ilp% = 100 /3ωcop%......................（公式3）
式中： ux—发电机相电压， v；
il—消弧线圈工作电流， a；
p% —有功损失比百分值pr/pq，一般为2左右； 当附加电阻限制耦合电容传递过电压时，一般为4左右。
图1 发电机消弧线圈等效电路图
已知图 1（a），则图 1（b）中参数为
rl =rlω2lr 2/ rl2 +ω2lr2
ωlr = rl2 +ω2lr2 / rl2ω2lr
已知图 1（b），则图 1（a）中参数为
1/ rl = rl/ rl2 +ω2lr2
1/ ωlr= ωrl/ rl2 +ω2lr2
二、正常运行和单相接地故障时的基波零序电压和电流
1、正常运行情况
为了讨论发电机中性点位移电压，将发电机表示成图2，三相对地电容c1、c2 、c3彼此互不相等， l和gl表示消弧线圈的等值电感和电导， e1 、e2 、e3 为发电机三相电势。
图2 发电机正常运行时的中性点电压
先讨论没有消弧线圈的情况， 由于c1 ≠c2 ≠c3 ，即使三相电势完全对称， 中性点仍有电压ubd按基尔霍夫定律节点电压法：
再看接入消弧线圈后中性点电压，设其为u0，即图2(b)中电感l上的压降。应用 等效发电机原理，得
......................（公式4）
式中，vc—消弧线圈脱谐度；
d—发电机电压网络阻尼率；
ir—发电机电压网络电阻泄漏电流；
ex—发电机相电压；
ubd—发电机电压网络不对称电压。
由式（4）可知，如果在谐振条件下且消弧线圈为纯电感，则vc=0 ，d=0，即使三相 对地电容略有不同， 出现微小的不对称电压， 也会使消弧线圈谐振接地的发电机中性点电压趋于无穷大。实际上谐振接地方式的消弧线圈并非纯电感， 有的人为加大其电阻（串联电阻rl），使 gl≠0 ，d≠0，这时即使有ubd≠0，但v ≠0，中性点电压将受到限制（在电阻小于感抗的条件下，增大rl ，rl减小， gl增大，阻尼率d增大；当接地变接地时，电阻大于感抗，增大rl ，反而使阻尼率d减小）。所以，从限制正常运行中性点电压看，一般发电机中性点消弧线圈脱谐度不取零值， 越大越好， 但其取值大小还要受传递过电压和故障点残流的限制， 因而要综合比较确定。当限制电压u0 时，适当增加阻尼系数d（一般为 0.04~0.25 左右），即增加消弧线圈的电阻rl ，此时等效电阻为
rl= 1 / gl= 1 / 3ωcod = 100 / 3ωcop%......................（公式5）
2、 单相接地故障情况
（1） 单相接地故障电流
在讨论和计算单相接地故障时的基波零序电压和电流时， 三相电源电势和三相对地 电容将视为完全对称。首先从金属性短路开始讨论， 设故障点位于定子绕组 a 相距中性点α处，见图3（a） α为中性点到故障点的匝数占总匝数的百分比，定子绕组感抗远小于定子对地容抗， 所以忽略定子绕组感抗和感抗压降， 这样零序电压即是发电机中性点的位移点压，也是定子绕组任意相和任意点的零序电压，即
......................（公式6）
当故障点在机端时，α=1.0 ，u0=ex（相电势）；当故障点在中性点时，α=0 ，u0=0。发电机单相接地时零序电压与与短路点的关系见图3（b）。进一步分析经过渡电阻rd发生单相接地的情况，其等效复合序网和等效电路如图4。故障点将e（ .）x分成 αe（ .）x和(1−α）e .x两部分， 发电机每相电容c0 也分成αc0 和（1−α）c0 两部分， 每一部分均用
康明斯发电机公司好不好？听听英国工厂员工现身说法
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柴油发电机组如何安装与调试？（四）
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