发电机单相接地过电压保护机理及电流允许值

摘要：发电机定子绕组中性点一般不直接接地，而是通太高阻（接地变压器）接地、消弧线圈接地或不接地，故发电机的定子绕组都规划为全绝缘。尽管如此，发电机定子绕组仍可能因为绝缘老化、过电压冲击或者机械振动等原由产生单相接地损坏。因为发电机定子单相接地并不会导致大的短路电流，不属于严重的短路性损坏。

      发电机定子的短路故障形成虽比较复杂但常与单相接地有关。短路故障形成大体归纳起来具体有五种状况：

      因为发电机容易见生绕组线棒和定子铁芯之间绝缘的破坏，因此定子绕组单相接地是发电机易发的损坏之一。尤其是采用水内冷的大型发电机，定子绕组产生接地损坏的几率多于相间短路和匝间短路，约占定子损坏的70％～80％。尽管发电机的中性点不直接接地，单相接地电流很小，但若不能及时发现，接地点电弧将进一步故障绕组绝缘，扩大损坏范围。电弧还可能烧伤定子铁芯，给维修带来很大困难。因为大型发电机组定子绕组对地电容较大，当发电机机端附近发生接地故障时，损坏点的电容电流比较大，危害发电机的安全运行；同时由于接地损坏的存在，会导致接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成影响严重的相间或匝间短路故障。

      显然，定子绕组绝缘损坏及铁芯烧伤程度与接地电流大小及连续时间有关。表1列出了不同功率发电机的接地电流允许值。大型发电机定子铁芯增加了轴向冷却通道，构成复杂，检修很不方便。因此，其接地电流允许值较小。当发电机定子接地电流大于允许值时，应采取补偿措施。在发电机接地电流不超过允许值的条件下，定子接地保护只动作于信号，待负荷转移后再停机。

      如图1所示。基于电阻比较法的发电机定子接地保护“内外”部损坏判别方式，主要是一种能够快速判别发电机定子接地“内部损坏”和“外部故障”方式。是根据故障零序电压计算出的机端接地电阻与实际损坏接地电阻进行比较，并结合发电机非电量数据进行判定。

      大型凸极发电机定子单相接地损坏的定位程序，如图2所示。

（1）大型发电机因为造价昂贵、构造复杂、检修困难柴油发电机厂家价格，且容量的增大使得其接地损坏电流也随之增大，为了避免故障电流烧坏铁芯，有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内。

（2）发电机中性点采用高阻接地步骤（即中性点经配电变压器接地，配电变压器的二次侧接小电阻）的主要目的是限制发电机单相接地时的暂态过电压，预防暂态过电压破坏定子绕组绝缘，但另一方面也人为地增大了故障电流。因此采用这种接地方式的发电机定子绕组接地保护应选择尽快跳闸。

（3）对于中小型发电机，由于中性点附近绕组电位不高，单相接地可能性小，故允许定子接地保护有一定的保护死区。对于大型机组，因其在装置中的地位重要，组成复杂，修复困难，尤其是采用水内冷的机组，中性点附近绕组漏水造成单相接地可能性大。因此，要求装设动作范围为100％的定子绕组单相接地保护。

      消弧线圈接地减小了接地损坏点的故障电流，排除了间歇电弧致使的过电压，允许发电机组带故障继续运转2h，便于组织抢修或减负载停机，从而防止或减少对系统的冲击和对用户的危害。

      我国早期电力发展滞后，电力网小，单机所占比重较大，单机突然切除对大电冲击大，严重影响用户负荷。采用消弧线圈接地上述优点是明显的，是与我国的电力装置现象相适应的。**以来，我国电力装置得到了迅速发展，尽管单机功率越来越大，但其功率占所接入的系统功率比重却相对较小，单机损坏保护动作于发信、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，同时由于系统备用功率较大，不会切除系统用户。特别是近年来电厂(站)自动化水平大大提升，采用“无人值班，少人值守”进行布置的电站已成为现实。采用消弧线圈延迟发电机组运转己没有必要。

      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，单机损坏保护动作于发信、转移负载尽快停机或跳闸、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，电力装置是危害发电机中性点接地步骤选用的一个具体条件。

      仅就满足装置要求来看，不能确定两种接地步骤孰优孰劣。

      因为消弧线圈在我国已有多年的运转历史，生产制造不成问题。但在电站采用接地变高阻接地的方法呈上升趋势，发电机组用户采用这种接地方法的也为数不少示例。理论和实践均已证明采用消弧线圈和接地变都是可行的。

      因为利用了变压器短时过载特征，变压器功率仅为相应消弧线。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取，使用数量小，生产工厂较少。又因为订货数量小，OEM主机厂不愿意接受，生产模具规划制造一套成本高，接地变及保护装置要价也就偏高，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法发展实践。接地程序的选型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好处。

      从制造生产来看，两种接地系统都可生产，就一般功率为中小型机组看，布置选择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，不少布置单位尊重发电机厂意见，或由主机厂规划，配套供货。所以发电机厂的规划经验和习惯也是影响发电机中性点接地程序选取的条件。

      过电压是两种接地步骤都无法回避的问题，一般分动态过电压和传递过电压及谐振过电压，发电机接地时电压相量图如图3所示。耦合传递过电压和直接传递过电压，只要规划时参数取得适当，能满足继电保护的要求，对装备不会构成威胁。当回路容抗和感抗接近时，如果产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。但实际产生的机率很小，尚未发现因采用消弧线圈产生危险过电压的案例。

      已有的动态过电压探求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4中曲线①是GE公司P.G.Brown等人研讨的结果，曲线②是我国清华大学的实验结果，曲线是美国M.V.Hadded等人探讨的结果。上述③条曲线都是对应发电机中性点消弧线圈接地的情形，当产生单相损坏时发生重燃，甩负荷等因素下，频率偏离作业频率时较大暂态过电压。由所以全补偿，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较大暂态过电压。

      从图4中可以看到，由于忽略消弧线圈的电阻成分，过电压倍数偏高。正如研究者所述，试验结果过高，仅用作两种接地方法的比较。消弧线圈接地实际暂态过电压通常不超过正常值的3倍。

      接地变高阻接地，因为电阻值较大，回路阻尼率增大，预防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法下的过电压，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，不知实验探求者计入此成分否，如果没计入，就无法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因素下的结论，并非长期运转的工作状态，连续时间短，追求偏低的过电压意义不大。相反，由于甩负载等，频率偏移较大康明斯发电机组公司，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，至少不比高阻接地步骤优越。实际我国发电机中性点消弧线圈接地都采用欠补偿，没有上述研究曲线关于的谐振接地状况，故而就过电压看，还无法断言哪种接地方式一定优于另一种接地方式。 

      重复接地是为了保证发电机的安全可靠地运行，防范因接地损坏引起系统损坏、装备故障及人身伤害等问题，接线所示。在发电机系统中，如果没有进行重复接地，则可能会存在以下问题：

① 不多发现接地故障。如果发生接地故障，没有进行重复接地，则地故障电流无法形成回路，也就无法导致保护系统的动作。在没有额外的保护办法下，接地故障难以检测和排除，可能会对装置造成严重的危害。

② 危及人身安全。如果发电机装置没有重复接地，则当产生单相接地故障时，电流将会通过电容电流的方法回路到地，形成触电危险。如果此时人员接触发电机装备，可能造成电击伤和生命危险。

③ 装置故障。如果没有重复接地，则当接地损坏产生时，地故障电流会通过设备绕组和装备接地点等地点流过，这可能会造成设备故障或烧毁。

      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，消弧线圈接地要增长发电机带故障运转时间，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危害大一些。但实际上大多数授权厂商按120KW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。

       发电机100%定子接地保护构造步骤有多种形式。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，发电机中性点产生接地损坏，过渡电阻在几千欧。当对地电容增大，无论哪种接地方法，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产生变化，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。于是柴油发电机，如果说三次谐波保护存在问题的话，无论对哪种接地程序都是一样的。

      在电力装置中，励磁回路是一种关键的装置，其主要功用是为发电机供应足够的励磁电流，保证其正常运行，电路如图6所示。因为励磁回路中的电气装置较为复杂且接地损坏风险较高，因此采用励磁回路接地保护来**系统的安全稳定运转。

      励磁回路接地保护的基础原理是通过对励磁回路的监测，当发生接地故障时，保护系统能够及时发现并切断损坏电源，避免损坏扩大，保证电力装置的稳定运转。通常来说，励磁回路接地保护采用电流差动保护或电流比率保护的方法进行监测，当检测到电流不平衡或保护装置接收到异样信号时，及时关闭励磁回路电源。

      对于外加直流或交流低频电源式定子接地保护，宜购买接地电阻柜。该装置在抗干扰、提升灵敏度方面较三次谐波保护具有突出的好处，但系统造价要高一些。从发展趋势看，这种保护方法在大型机组上采用的越来越多。而将配电变压器换成消弧线圈或单相TV，从上面的分析看，根本达不到减轻发电机定子绕组绝缘破坏时对发电机的影响及提升定子接地保护的可靠性和灵敏度的目的，短处还很多。