发电机中性点经消弧线圈接地补偿方式和作用

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发布时间：2023-07-04 17:05:09 ▏阅读：次

摘要：消弧线圈在输变电系统及柴油发电机组中性点接地领域应用广泛。当系统发生单相接地故障时，消弧线圈提供的感性电流可有效补偿故障电容电流，显著减小接地故障电流与燃弧风险，从而允许柴油发电机在一定时间内持续带故障运行。这一特性在我国电力系统发展早期成为主流选择，至今仍具有重要工程价值。近年来，高压柴油发电机中性点接地日趋采用配电变压器二次侧带电阻的高阻接地方式，但两种方式各有利弊，尚无法完全替代。本文系统梳理消弧线圈的结构特点、参数选型计算方法、正常运行及单相接地故障下的电压电流特性，并重点分析中性点位移电压与传递过电压等特殊问题，为工程设计人员在具体项目中开展技术经济比较、合理选择中性点接地方式提供理论依据与实用参考。

一、消弧线圈的结构特点与技术演进

1. 消弧线圈的起源与基本原理

消弧线圈的概念最早由德国学者彼得逊（W. Petersen）于1916年系统提出。他全面研究了电力系统中性点接地故障相关的各类问题，不仅构建了完整的理论分析框架，还对运行中可能出现的谐振、位移电压、电弧重燃等现象给出了科学解释，并于1917年安装投运了世界上首台消弧线圈装置。因此，消弧线圈也被称为彼得逊线圈（Petersen coil），至今已有一百余年工程应用历史。

从电磁结构上看，消弧线圈的外形与单相变压器相似，但其内部实质是一个具有分段带间隙铁芯的电感线圈。铁芯间隙沿整个磁路均匀分布，目的是减小漏磁通，使电感值随电流变化保持平稳。采用带间隙铁芯的核心优势在于：一方面可在相对较小的电感值下获得较大的消弧线圈容量；另一方面可使电感调节特性趋于线性，从而保证在整定好的调谐值下稳定运行。每台消弧线圈均配置有调节补偿电流的分接头，通过切换器在设定范围内改变线圈匝数，即可获得不同数值的补偿电流。随着电力电子技术与磁性材料的发展，目前已经能够设计和制造连续平滑调节电感数值的消弧线圈，尤其适用于对调谐精度要求较高的发电机中性点接地场景。

2. 按绝缘介质分类及适用条件

消弧线圈按绝缘介质主要分为油浸式和干式两大类。油浸式消弧线圈的铁芯与线圈均浸渍在变压器油中，绝缘性能优良，散热效果好，过载能力强，适用于户外或户内常规环境。干式消弧线圈采用环氧树脂真空浇注结构，无漏油风险，阻燃性能好，维护工作量小，但散热条件相对受限。当发电机位于户内，且屋内相对湿度长期小于80%时，可选用干式结构；在环境较为潮湿、灰尘较多或通风不良的场所，仍以油浸式为优先选择。选型时还需综合评估安装场地的海拔高度、地震烈度、环境温度等外部条件，并按照相关国家标准进行校核。

二、消弧线圈的工程选型计算方法

1. 型式与额定参数的选择原则

消弧线圈的型式选择应综合考虑安装场所、环境条件、投资成本及运维便利性。一般而言，发电厂户内布置的机组优先采用油浸式消弧线圈，以获取更高的热稳定性和绝缘可靠性；若用户明确要求无油化且环境条件允许，则可采用干式环氧浇注结构。

在电气参数方面，需重点关注消弧线圈的伏安特性。当铁芯进入饱和区后，电感值急剧下降，激磁电流呈非线性增长，可能导致补偿电流失控乃至保护误动。因此，要求消弧线圈的起始饱和电压一般不低于1.1~1.15倍额定相电压。工程实践中，若起始饱和电压过低，铁芯在正常运行电压下即进入饱和区，可能引起消弧线圈异常振动、过热或保护装置频繁告警。为此，建议在设备采购合同中明确要求制造厂提供出厂伏安特性试验报告，确保在额定电压范围内电感值波动在允许区间内。

从绝缘配合角度考虑，为留有一定裕度，消弧线圈的额定电压通常选取等于发电机的额定电压（即线电压），并按实际安装海拔进行外绝缘爬电距离修正，按地震烈度进行机械强度校核，按环境温度调整温升限值。

2. 补偿容量与分接头配置的定量计算

消弧线圈的补偿容量按下式计算：

$\begin{matrix} Q = K_{x h} \cdot I_{c} \cdot \frac{U_{n}}{\sqrt{3}} & (1) \end{matrix}$

式中， $Q$ 为消弧线圈的补偿容量（kVA）； $K_{x h}$ 为容量系数，过补偿方式取1.35，欠补偿方式需根据脱谐度具体确定； $I_{c}$ 为发电机回路的计算电容电流（A）； $U_{n}$ 为发电机回路的额定电压（kV）。

脱谐度 $v$ 定义为：

$\begin{matrix} v = \frac{I_{l} - I_{c}}{I_{c}} & (2) \end{matrix}$

其中， $I_{l}$ 为消弧线圈输出的电感电流（A）， $I_{c}$ 为系统对地电容电流（A）。当 $I_{l} > I_{c}$ 时， $v < 0$ ，称为过补偿；当 $I_{l} < I_{c}$ 时， $v > 0$ ，称为欠补偿。

对于安装在电网变压器中性点的消弧线圈，传统上采用过补偿方式，以避免接地故障点残流呈容性而导致电弧重燃。但对于采用单元接线的发电机中性点，由于需限制电容耦合传递过电压以及频率波动对中性点电位的影响，通常采用欠补偿方式。正常运行时，脱谐度绝对值不宜超过30%，否则残流过大将削弱消弧效果，且故障点恢复电压增长速度过快，不利于电弧自熄灭。

电容电流的计算应全面纳入发电机本体、封闭母线、厂用高压变压器绕组、升压变压器低压绕组等所有对地电容的贡献，按下式计算：

$\begin{matrix} I_{c} = \frac{U_{n}}{3 X_{o c}} = 3 ω C_{o} \cdot \frac{U_{n}}{3} & (3) \end{matrix}$

式中， $X_{o c}$ 为发电机回路等效对地容抗（Ω）， $X_{o c} = 1 / (3 ω C_{o})$ ； $C_{o}$ 为发电机回路每相对地总电容（F）； $ω$ 为发电机角频率， $ω = 2 π f$ 。

由于发电机中性点消弧线圈的调谐要求较为严格，且定子接地保护动作特性与补偿度密切相关，宜优先选用具有无级连续调节功能的消弧线圈。若采用有载调匝式结构，则分接头数量不宜少于9个，以保证补偿电流调节步长满足脱谐度控制要求。

3. 有功损耗等效电阻及其影响

消弧线圈的等效电路如图1所示。消弧线圈并非理想电感元件，其铁芯损耗与铜耗构成有功分量。设消弧线圈的有功损耗为 $P_{R}$ ，无功功率为 $P_{Q}$ ，则有：

$\begin{matrix} \frac{P_{R}}{P_{Q}} = \frac{P %}{100} & (4) \end{matrix}$

经推导，消弧线圈的等值并联电阻 $r_{L}$ 可表示为：

$\begin{matrix} r_{L} = \frac{100}{3 ω C_{o} P %} & (5) \end{matrix}$

式中， $P %$ 为有功损失比，通常为2%左右；当需要利用附加电阻限制耦合电容传递过电压时，该值可提高至4%左右。较大的有功损耗相当于增大了系统阻尼，有利于抑制谐振过电压，但同时会增加正常运行时的中性点位移电压，需综合权衡。

● 已知图 1（a），则图 1（b）中参数为

$R_{L} = \frac{r_{L} \cdot ω^{2} L_{r}^{2}}{r_{L}^{2} + ω^{2} L_{r}^{2}}$ $ω L_{R} = \frac{r_{L}^{2} + ω^{2} L_{r}^{2}}{r_{L}^{2} \cdot ω^{2} L_{r}}$

● 已知图 1（b），则图 1（a）中参数为

$\frac{1}{r_{L}} = \frac{R_{L}}{R_{L}^{2} + ω^{2} L_{R}^{2}}$ $\frac{1}{ω L_{R}} = \frac{ω R_{L}}{R_{L}^{2} + ω^{2} L_{R}^{2}}$

发电机消弧线圈等效电路图.png

图1 发电机消弧线圈等效电路图

三、正常运行与单相接地故障下的电气特性分析

1. 正常运行时的中性点位移电压

在实际工程中，发电机三相定子绕组对地电容 $C_{1}$ 、 $C_{2}$ 、 $C_{3}$ 不可能完全相等，且三相电势也存在微小不对称，因此即使无故障，发电机中性点也会出现一定的基波零序电压，即不对称电压 $U_{b d}$ 。当中性点接入消弧线圈后，该电压将在零序回路中产生零序电流，在消弧线圈两端形成电压降，称为中性点位移电压 $U_{0}$ 。如图2所示。

应用等效发电机原理，可推导出：

$\begin{matrix} {\dot{U}}_{0} \approx \frac{{\dot{U}}_{b d}}{v - j d} & (6) \end{matrix}$

式中， $v$ 为脱谐度； $d$ 为发电机电压网络的阻尼率，其与电阻泄漏电流 $I_{R}$ 、电容电流 $I_{C}$ 的关系为 $d = I_{R} / I_{C}$ 。

由式（6）可知，当系统处于完全谐振状态（ $v = 0$ ）且消弧线圈为纯电感（ $d = 0$ ）时，即使不对称电压 $U_{b d}$ 极小，中性点位移电压理论上将趋于无穷大，这在实际运行中绝不允许。因此，必须通过合理整定脱谐度（通常不取零值）并保留一定的阻尼电阻，使 $d > 0 ，从而将$ $U_{0}$ 限制在安全范围内。增大脱谐度有利于降低正常运行位移电压，但会削弱补偿效果并增大故障残流，需要在二者之间进行优化权衡。工程上，阻尼率 $d$ 通常控制在0.04~0.25之间，对应的等效电阻按式（5）确定。

发电机正常运行时的中性点电压.png

图2 发电机正常运行时的中性点电压

2. 单相接地故障时的残流与电压特性

（1）故障点残流计算

设单相接地故障发生在定子绕组A相距中性点 $α$ 处（ $α$ 为故障匝数占总匝数百分比，见图3a），忽略定子绕组感抗，零序电压即为发电机中性点位移电压，且等于定子绕组任意点的零序电压：

$\begin{matrix} {\dot{U}}_{0} = α {\dot{E}}_{x} & (7) \end{matrix}$

当故障点在机端时 $α = 1 ，$ $U_{0} = E_{x}$ （相电势）；当故障点在中性点时 $α = 0$ ， $U_{0} = 0$ 。发电机单相接地时零序电压与与短路点的关系见图3b。

考虑经过渡电阻 $r_{d}$ 接地的一般情况（其等效复合序网和等效电路如图4），利用对称分量法可得故障点总故障电流（即残流）的表达式。当忽略消弧线圈电阻并作金属性短路假设时（注：这样图4可以改写成图5），有：

$\begin{matrix} {\dot{I}}_{f} = - j \frac{3 α {\dot{E}}_{x}}{3 r_{d} - j x_{c} + j 3 ω L} & (8) \end{matrix}$

发电机单相接地示意图.png

图3 发电机单相接地示意图

发电机经过渡阻抗接地复合序网图.png

图4 发电机经过渡阻抗接地复合序网图

事实上，等效电路图可以进一步简化（如图5所示）。因为不论故障点位于何处，定子绕组的对地分布电容均可以等效的各以 C₀/2 集中于机端和中性点。正序网电势分成 αE ._x 和（1−α）E_._x 两部分，两端各接C₀/2中性点仍与H1短接；负序网不计定子绕组电感，序网的负序压降为零，复合序网中就没有负序网的出现；始端H1和终端K1之间接入零序网和过渡电阻。由图7所得结果与图6所得结果相同。

进一步引入补偿度 $K 与脱谐度$ $v ：$

$\begin{matrix} K = \frac{I_{l}}{I_{c}} = \frac{1}{3 ω^{2} L C_{0}} & (9) \end{matrix}$
$\begin{matrix} v = 1 - K & (10) \end{matrix}$

发电机过渡阻抗接地复合序网图.png

图5 发电机过渡阻抗接地复合序网图

发电机过渡阻抗接地等效电路图.png

图6 发电机过渡阻抗接地等效电路图

当计入消弧线圈等值电导 $g$ 后，故障点残流（见图7）可写为：

$\begin{matrix} {\dot{I}}_{f} = {\dot{I}}_{g} + j ({\dot{I}}_{c} - {\dot{I}}_{l}) & (11) \end{matrix}$

式中， ${\dot{I}}_{g} = {\dot{E}}_{x} g$ 为电阻性电流分量， ${\dot{I}}_{c} = {\dot{E}}_{x} \cdot 3 ω C_{0}$ 为电容电流， ${\dot{I}}_{l} = {\dot{E}}_{x} / (ω L) 为电感电流。$

计算发电机单相接地残留电流的等值电路.png

图7 计算发电机单相接地残留电流的等值电路

由式（11）可知：

● 当 $K < 1$ （ $v > 0$ ）时，残流呈容性，为欠补偿状态；

● 当 $K > 1$ （ $v < 0$ ）时，残流呈感性，为过补偿状态；

● 当 $K = 1$ （ $v = 0$ ）时，电感电流与电容电流完全抵消，残流仅为纯电阻性电流，理论上熄弧条件最优，但此时系统处于并联谐振状态，正常运行位移电压将急剧升高。

脱谐度不宜过大，否则残流过大将削弱熄弧效果，且故障点恢复电压增长速度过快，易导致电弧重燃；脱谐度也不宜过小，否则正常运行时中性点位移电压超标。因此，合适的脱谐度整定与消弧线圈电阻的合理配置是工程设计的关键环节。

（2）单相接地时的工频电压升高

当发生单相经过渡电阻接地故障时，非故障相电压将升高。以C相机端单相接地为例，当过渡电阻 $r_{d}$ 从0变化至无穷大时（见图8），中性点对地电压从 $E_{x}$ 变为0，非故障相B的对地电压最大值可达 $1.823 E_{x}$ （相电压的1.823倍）。该电压升高主要取决于过渡电阻，而与中性点接地方式本身关系不大，但在谐振接地条件下，零序阻抗的幅频特性会影响实际过电压水平。

采用对称分量法，设A相单相接地，故障点各序电流分量为：

$\begin{matrix} {\dot{I}}_{1} = {\dot{I}}_{2} = {\dot{I}}_{0} = \frac{\dot{E}}{Z_{1} + Z_{2} + Z_{0} + 3 r_{d}} & (12) \end{matrix}$

其中， $Z_{1}$ 、 $Z_{2}$ 分别为正序、负序、零序阻抗。在发电机中性点经消弧线圈接地时，零序阻抗 $Z_{0}$ 包含消弧线圈的感抗与电阻分量，其对电压升高的具体幅值产生影响。故障点各相电压可由各序分量合成得到，工程上需据此校验非故障相对地绝缘水平。

计算发电机单相接地故障工频电压升高复合序网.png

图8 计算发电机单相接地故障工频电压升高复合序网

四、消弧线圈接地方式的特殊问题与对策

1. 正常运行时中性点位移电压的控制策略

当发电机三相电压完全对称，但三相对地电容 $C_{a}$ 、 $C_{b}$ 、 $C_{c}$ 不相等时，电容不对称度 $s$ 定义为：

$\begin{matrix} s = \frac{C_{a} + C_{b} \cdot e^{j 120^{\circ}} + C_{c} \cdot e^{- j 120^{\circ}}}{C_{a} + C_{b} + C_{c}} & (13) \end{matrix}$

此时中性点位移电压 ${\dot{U}}_{0}$ 可表达为 $s$ 、脱谐度 $v$ 和阻尼率 $d$ 的函数。通常发电机电容不平衡度很小，但在消弧线圈接近谐振点时， $v 很小，$ $d 也较小，位移电压可能被显著放大。$

控制位移电压的主要措施包括：
（1）在发电机制造环节严格控制三相对地电容的对称性；
（2）适当增大脱谐度绝对值，但需兼顾补偿效果；
（3）合理配置消弧线圈的并联阻尼电阻，增大阻尼率 $d$ ，以抑制谐振放大效应。

若不采取措施，过大的中性点位移电压将长期作用于发电机主绝缘，同时迫使以基波零序电压为判据的定子接地保护动作值抬高，降低保护灵敏度。

2. 传递过电压的形成机理与抑制措施

在单元接线方式下，升压变压器高、低压绕组之间存在耦合电容 $C_{M}$ 。当系统侧发生单相接地故障时，产生的高压侧零序电压 $U_{H 0}$ 将通过 $C_{M}$ 传递至发电机侧，形成传递过电压 $U_{L 0}$ 。传递系数可近似表达为：

$\begin{matrix} \frac{U_{L 0}}{U_{H 0}} = \frac{1}{1 - \frac{1}{K}} & (14) \end{matrix}$

其中 $K = ω L \cdot 3 ω (C_{g} + C_{t}) - 1$ ， $C_{g}$ 为发电机定子对地电容， $C_{t}$ 为母线及变压器绕组对地电容。

当系统运行于欠补偿方式（ $K > 1$ ）时，传递系数为正且小于某一限值；若运行于过补偿方式（ $K < 1$ ），传递系数可能大于1，造成发电机侧过电压超标。这正是发电机中性点消弧线圈必须采用欠补偿方式的重要原因之一。

有效抑制传递过电压的措施包括：
（1）在变压器设计制造时尽量降低高、低压绕组间的耦合电容；
（2）在发电机侧增加对地电容器，增大等效对地电容 $C_{g} + C_{t}$ ，但这会增大电容电流，需相应调整消弧线圈容量；
（3）精细调节消弧线圈参数，避免其运行于完全补偿状态（ $K \approx 1$ ），并确保欠补偿度在合理范围内。

总结

柴油发电机中性点采用消弧线圈接地，在单相接地时能有效补偿电容电流、减小残流并利于电弧熄灭，但必须正视其正常运行位移电压偏大及传递过电压风险。选型时需综合确定额定电压、补偿容量、分接头数与调谐方式，并严格控制铁芯伏安特性。运行方式应选取欠补偿，脱谐度绝对值不宜超过30%，同时配以适当的阻尼电阻以抑制谐振。工程决策不应简单套用通用做法，而应结合具体机组的电容电流实测值、电网结构、保护配置及经济性指标，开展全面的技术经济比较，因地制宜确定最优中性点接地方案。

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