发电机的零序电抗参数与测量方法

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发电机的零序电抗参数与测量方法

发布时间：2026-06-13 12:41:56 ▏阅读：次

新闻主题	发电机的零序电抗测量

摘要：零序电抗是指同步发电机在额定转速下运行时，由基波零序电枢电流所引起的零序电枢电压的无功基波分量与该电流之比。其测量的意义主要体现在继电保护整定、接地故障电流计算、中性点接地方式设计以及柴油发电机组状态评估四个方面。由于一般情况下，零序电抗无法通过常规出厂试验（如短路特性、空载特性）直接获得，且理论估算误差较大，实际测量发电机电抗是必要环节。

一、零序电抗的定义与概念

柴油发电机本质上属于凸极式同步发电机，其零序电抗的基本概念与普通同步发电机相同，但结合柴油发电机组作为常用备用或主用电源的特点，理解它的概念对接地保护设计（零序过流、接地故障计算）尤为关键。

1、零序电抗的物理定义

（1）定义：柴油发电机在正向同步旋转、励磁绕组短接、发电机的定子绕组上加一组对称的零序电压（三相电压数值相等、相位一致）时，同步发电机所表现的电抗称为零序电抗。

（2）柴油机特点：柴油发电机通常转速较低（常见1500rpm/50Hz或1800rpm/60Hz），极对数较多，属于凸极转子结构。其零序电抗数值与隐极汽轮发电机有明显差异。

2、零序电抗的机理

（1）由于三相零序电流所产生的脉振磁势幅值相同，时间上同相位，而在空间互差120°电角度，所以三相零序基波合成磁势将等于零。也就是说，零序电流将不形成基波旋转磁势，零序磁场只是漏磁场，因此零序电抗属于漏抗的性质。

（2）零序电抗的大小与绕组的节距有关。整距时，零序电抗和发电机的定子漏抗基本相等；当节距为τ时，零序槽漏磁接近于零，此时零序电抗将接近于发电机的定子绕组的端部漏抗的数值。

（3）由于零序电流基本上不产生旋转磁场，所以零序阻抗Z0的大小与转子结构基本无关，零序电阻则近似等于发电机的定子电阻。

（4）零序电流流过三相绕组时，只产生漏磁通。和定子漏抗相似，零序电抗的大小依绕组型式而定。对于单层绕组和整距双层绕组而言，在每一个槽中的电流都属于同一相，零序漏磁通便和正序漏磁通相同。对于短距双层绕组而言，在一部分槽中，上、下导体分别属于不同的两相。当有零序电流通过时，上下两导体中的电流的作用适相抵消。因此零序磁通便较正序漏磁通为小。

（5）当定子绕组中流过零序电流时，除了产生漏磁通以外，尚须考虑它所产生的空间三次谐波磁势。这个磁势在时间上和空间上均各相同相，将合成为空间三次谐波的脉振磁势。故零序电抗的数值将随着转子位置的变化而稍有不同，即随着转子位置的不同有三倍于基波频率的周期变化。

3、为什么零序电抗远小于正序电抗？

（1）正序电流：产生旋转磁势，有主磁通路径（经过气隙、转子铁芯），因此正序电抗X₁（特别是同步电抗或暂态电抗）很大。

（2）零序电流：三相电流同相位→产生的三个脉振磁势在空间上互差120°电角度，但时间上无相位差→合成气隙磁通为零。因此零序电流在气隙中不产生旋转主磁场。只有漏磁通（槽漏磁、端部漏磁），磁路主要经过空气或非导磁材料。

二、零序电抗的实际应用

柴油发电机零序电抗的数值大致等于定子绕组的漏抗，典型标幺值约为0.1∼0.6（而正序同步电抗标幺值可达1.0∼2.5以上）。

1、零序电抗在工程中的角色（为什么重要）

（1）单相接地短路电流计算：

柴油发电机中性点接地方式决定了接地故障电流大小。例如中性点直接接地时，单相接地电流 $I_{k 1} = \frac{3 E}{2 X_{1} + X_{0}}$ 。若忽略 $X_{0}$ ，会严重误判保护定值。

（2）零序过流保护整定：

需知道发电机自身的 $X_{0}$ ，才能区分内部接地故障与外部系统接地故障时的零序电流分布。

（3）中性点接地设备选型：

若柴油发电机中性点经电阻或电抗器接地，等效零序回路中 $X_{0}$ 会与接地元件参数共同决定电流幅值。

2、易混淆的概念区分

（1）零序电抗 vs 负序电抗：

负序电抗 $X_{2} \approx X_{"}$ _d（超瞬变电抗），数值比零序电抗大得多（通常几倍到十几倍）。负序电流会产生反转旋转磁场，仍在铁芯磁路中；零序电流几乎只有漏磁通路。

（2）零序电抗 vs 中性点接地电抗：

发电机本身的 $X_{0}$ 是其固有参数（每相）；中性点接地电抗 $X_{0 N}$ 是外加元件。在零序网络中，等效零序阻抗为 $X_{0} + 3 X_{0 N}$ 。

3、实际应用提示

若缺乏实测数据，柴油发电机零序电抗（对带阻尼绕组的中小机型）可按下述近似取值：

$X_{0}^{*} \approx 0.3 \times X_{d}^{"*}$

在低压柴油发电机组（400V）中，零序电抗通常较小，对中性点直接接地系统而言，接地故障电流主要受限于发电机正序超瞬变电抗和线路阻抗，而非 $X_{0}$ 本身，但保护计算仍需代入。

表1 柴油发电机零序电抗的典型范围（标幺值）

发电机类型	零序电抗X0∗X0∗典型范围
柴油发电机（有阻尼绕组）	0.15∼0.45
柴油发电机（无阻尼绕组）	0.30∼0.80
汽轮发电机（对比）	0.10∼0.60
注：现代多数柴油发电机均装有阻尼绕组（用于改善波形和承受不平衡负载），因此 $X_{0}^{*}$ 常取中间值如 $0.25 \sim 0.35$ 。

三、零序电抗的测量方法

1、外电源测定法

（1）接线方法：

在测定零序电抗时，可分别用图1和图2所示的接线图，把发电机的定子绕组各相并联或串联相接，然后在端点上外施一交流单相电源，使流入的零序电流数值等于（5％～25％）额定发电机的定子电流。外施电压应为额定频率。发电机的转子由原动机带动，使它以同步速度旋转，励磁绕组应短接，使在进行试验时的情况尽可能符合正常运行工况。根据电压表、电流表和功率表的读数，便可求出零序电阻和零序电抗的数值。

注意：零序电抗的测定也可在转子不动的情况下进行。但这时应把转子转至不同的位置，在几个不同位置时读数，然后取其平均值；还可将转子取出后进行。如试验是在发电机旋转状态下进行，同时励磁回路又是短接的，则所得结果最确切。在其它条件下所测得结果都会因为发电机的定子绕组的高次谐波作用而有不同程度的误差。

（2）运用公式计算阻抗参数（数据处理）

获得上述测量数据后，按照一下的公式进行计算：

当定子绕组三相接线方式为并联时，则

X₀≈ 3U / Ⅰ

当定子绕组三相串联时，则

X₀≈ U / 3Ⅰ

上两式中：U、Ⅰ分别为试验测定的电压、电流值。

由于零序电阻值很小，常可忽略不计，因此上两式可近似等于零序电抗值。在电源电压大小相等的情况下，并联接线时的电流串联接线时的9倍。因此串联接线时试验电源容量小，各相电流在任何情况下均相等，故串联接线比并联接线要好。在能拆开发电机的定子绕组中性点的情况下，最好采用串联接线法测量零序电抗。

发电机零序电抗三相串联试验接线图.png

图1 发电机零序电抗三相串联试验接线图

发电机零序电抗三相并联试验接线图.png

图2 发电机零序电抗三相并联试验接线图

2、两相对中性点短路法

（1）接线方法：

两相对中性点短路法试验接线见图3。先将发电机的定子绕组两相对中性点短路，被试发电机拖动到额定转速，调节励磁电流使通过中性点连接线的电流达到所需值（0.05IN～0.25IN），同时量取开路相到中性点间的电压U、短路相线端与中性点间连接线中所通过的电流Ⅰ。

（2）运用公式计算阻抗参数（数据处理）

忽略谐波影响时，零序电抗按下式计算：

基本计算公式为：

$X_{0} = x_{0} \cdot \frac{U_{N}}{\sqrt{3} I_{N}}$

或者用标幺值表示为： $X_{0}^{*} = k_{0} \cdot X_{1}^{*}$ 式中：

$x_{0}$ —— 发电机的零序电抗（有欧姆值， $Ω$ /相）；

$U_{N}$ —— 发电机额定线电压（V 或 kV）；

$I_{N}$ —— 发电机额定电流（A）；

$X_{0}^{*}$ —— 零序电抗标幺值；

$X_{1}^{*}$ —— 正序电抗标幺值（通常取 $X"$ _$d$或 $X_{2}$ 的近似）；

$k_{0}$ —— 比例系数，典型取值范围。

测量中应注意，由于负序磁场存在，可能产生转子局部过热现象，所以应尽量缩短试验时间。试验时需加的励磁电流非常小，为调节稳定试验前应在励磁绕组回路中串联附加电阻。由于功率因数比较小，试验中应采用低功率因数瓦特表。

3、用单相电源测零序电抗X₀。

（1）测试接线与数据采集（定义输入变量）

首先，需要在发电机的定子绕组上施加单相交流电源，并进行特定接线：

① 接线方式：按图4接线，将GS的三相电枢绕组首尾依次串联，接至单相交流电源U、N端上。再将调压器退至零位，同步发电机励磁绕组短接。然后起动直流电机MG并使电机升至额定转速1500r/min，并接通交流电源并调节调压器使GS定子绕组电流上升至额定电流值。

② 施加电压：在短接线与中性点之间施加单相交流电压（通常为较低电压，如几百伏，以防止绝缘击穿）。

③ 测量物理量：

$U$ ：测量施加的相间电压（即并联端对中性点的电压）。

$I$ ：测量流过中性点或并联端的总电流。

$P$ ：测量该单相回路消耗的有功功率。

（2）运用公式计算阻抗参数（数据处理）

获得上述测量数据后，按照一下的公式进行计算：

① 计算零序阻抗模值 $Z_{0}$

计算公式如下：

$Z_{0} = \frac{U}{3 I}$ 因为三相绕组并联，施加的电压 $U$ 是相电压的 3 倍（相电压 $U_{p h} = U / 3$ ），而测得的电流 $I$ 是三路相电流之和。要计算单相绕组的零序阻抗，必须除以 3 消除并联效应。

② 计算零序电阻 $r_{0}$

计算公式如下：

$r_{0} = \frac{P}{3 I^{2}}$ 总功率 $P$ 是三相绕组的总发热损耗。同理，要得出单相绕组的电阻 $r_{0}$ ，需要将总功率分配至三相。根据公式 $P_{t o t a l} = 3 \cdot r_{0} \cdot I_{p h a s e}^{2}$ ，且 $I_{p h a s e} = I ，从而解出$ $r_{0} = P / (3 I^{2}) 。$

③ 计算零序电抗 $X_{0}$

计算公式如下：

$X_{0} = \sqrt{Z_{0}^{2} - r_{0}^{2}}$
利用阻抗直角三角形关系（ $Z^{2} = R^{2} + X^{2}$ ），将刚才计算出的 $Z_{0}$ （斜边）和 $r_{0}$ （直角边）代入公式，求出感抗分量 $X_{0}$ 。

发电机零序电抗两相对中性点短路法试验接线图.png

图3 发电机零序电抗两相对中性点短路法试验接线图

发电机单相电源零序电抗测量法.png

图4 发电机单相电源零序电抗测量法

总结：

由于零序电流在发电机内部不形成基波旋转磁场，因此零序电抗属漏抗性质，包括槽部漏抗及端部漏抗两个组成部分。而测量柴油发电机零序电抗并非例行试验，但在涉及接地保护设计、中性点设备选型、故障电流计算以及发电机大修后验证时，具有明确的工程价值。此外，对于批量应用的柴油发电机组（如数据中心、备用电源群），通过实测一两台机组的 X₀，可以为其他同型号机组提供更精确的估算基准，避免盲目采用典型范围而带来的保护误差。

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