【原】国家能源集团科学技术研究院江建明：发电机接地系统参数试验方法现场应用

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定子绕组对地电容参数是各种接地装置设计的基础，接地装置是否满足要求需通过试验进行验证。小容量发电机电容电流较小，接地装置参数均通过定子绕组对地集中电容进行设计，几乎均未做试验验证。对于大中型水轮发电机，电容电流较大，实测集中电容与分布等效电容相比误差达17%以上，若不通过试验验证，则可能因接地装置参数设计不当引起安全事故。

国家能源集团科学技术研究院有限公司的江建明，在2023年第4期《电气技术》上撰文，提出发电机中性点不对称电压、位移电压、单相接地最大电容电流、单相接地最大故障电流四种参数的试验方法。在发电机中性点接入接地装置前后，通过模拟故障开展发电机中性点接地系统参数试验，确定发电机中性点接地方式及接地装置参数是否满足工程要求。该试验方法已在多个大中型水轮发电机和个别汽轮发电机进行验证，用该方法测试参数设计的接地装置运行稳定可靠。

发电机中性点接地方式通常包括不接地、经消弧线圈接地、经高电阻接地方式。随着大中型水轮发电机的投运，发电机单相对地电容电流越来越大，上述三种传统接地方式已不能满足工程要求。其中，不接地方式存在弧光接地过电压较高，消弧线圈接地方式存在位移电压过高，高电阻接地方式存在单相接地电流过大等问题。当发电机中性点弧光接地过电压过高时存在绝缘击穿的风险，位移电压过高时存在定子绕组单相接地保护误跳闸和影响电能质量的风险，发电机定子绕组单相接地电流过大时存在烧损定子铁心的风险。

早期水轮发电机电容电流较小（一般小于4A），其中性点可采用不接地方式。随着发电机单机容量增大，定子绕组单相接地电容电流增大，为减小单相接地故障电流，发电机广泛采用中性点经消弧线圈接地方式，以补偿电容电流。

对于电容电流不太大的发电机，通过消弧线圈接地，能将单相接地故障电流降低至长时允许值（中国标准1～4A）范围，位移电压虽然有所增加，但不会超过允许值，发电机发生单相接地故障时可以运行一段时间。但随着工业的进一步发展，系统负荷增加，发电机单机容量进一步增大，定子绕组单相接地电容电流也随之增加，要通过消弧线圈将单相接地故障电流降低至长时允许电流值范围内存在较大难度，同时补偿的电感电流和接地装置容量都会比较大。经消弧线圈补偿后单相接地故障电流越小，位移电压越高，定子绕组接地保护存在跳闸风险。

为了降低位移电压，发电机中性点采用经接地变压器二次侧并联电阻的高电阻接地方式，此种接地方式能够减小位移电压，但必然增大单相接地故障电流，当发电机单相接地最大故障电流超过长时允许值时不允许长时间运行，需要瞬时切机。随着发电机电容电流的增加，近年出现了高阻抗接地方式（一般电容电流大于10A），是通过在接地变压器二次侧并联电阻和电抗的接地装置实现，并联电阻能起到减小位移电压的作用，并联电感能起到减小单相接地电流的作用，可兼顾位移电压和单相接地电流。

发电机中性点接地装置参数需要通过定子绕组对地电容进行设计。新机设计前无条件实测定子绕组单相接地分布等效电容，通常采用定子绕组线棒集中电容代替单相接地分布等效电容，但发电机实际运行中定子绕组对地电压呈分布状态，实际分布等效电容与绕组对地集中电容存在较大误差，接地装置电感和电阻参数需要设置多抽头进行调节。

对于改造机组可通过试验实测单相接地分布等效电容值，以此作为设计依据，运行后通过位移电压、单相接地最大故障电流试验进行验证，如果不满足要求，可以调整接地装置档位。以前小容量发电机电容电流较小，多采用消弧线圈和高电阻接地装置，发电机均通过定子绕组对地集中电容进行设计，位移电压和单相接地电流较小，几乎均未做试验进行验证，但随着发电机容量增加，特别对于大中型水轮发电机，电容电流较大，如果不通过试验验证，采用消弧线圈、高电阻和高阻抗接地装置可能因参数设计不当存在安全隐患。

有文献提出单元接线的发电机单相接地电容电流测试方法、消弧线圈容量校核及电容电流限值，以及相关注意事项等，介绍了直接测量法和间接测量法，重点介绍间接测量法；有文献采用直接测量法对发电机单相接地电容电流进行实测。

以上文献均未对不对称电压、位移电压和单相接地故障电流测试做介绍。本文提出发电机中性点不对称电压、位移电压、单相接地最大电容电流、单相接地最大故障电流的定义及试验方法、位移电压系数的概念及取值范围，对接地系统参数测试进行系统论述，使发电机接地系统参数测试更加规范，并提出判断依据。在发电机中性点投入接地装置前后，通过模拟故障开展发电机中性点接地系统参数试验，可有效验证发电机中性点不同接地方式的参数性能指标，确定发电机中性点接地方式及接地装置参数是否满足工程要求。

发电机中性点接地系统参数测试涉及发电机、发电机中性点接地装置、主变压器及发电机至主变压器之间所有连接设备如励磁变压器、厂用变压器、电缆、母线等。发电机中性点接地装置参数选择需要发电机至主变压器低压侧所有设备对地电容电流，一般情况下应带主变压器进行试验，为确定单独发电机的不对称电压、位移电压、单相接地最大电容电流、单相接地最大故障电流，也可不带主变压器进行试验。本文提出以上四种参数的测试方法，并在多个大中型水电厂水轮发电机和个别火电厂汽轮发电机上开展试验。

1  中性点接地系统参数

发电机中性点接地系统参数试验包括发电机中性点不对称电压、位移电压、单相接地最大电容电流、单相接地最大故障电流测试。发电机中性点不对称电压是指发电机中性点不接地时，空载运行在额定电压下的中性点对地电压；发电机中性点位移电压指发电机中性点接入接地装置后，在额定电压下的中性点对地电压；单相接地最大电容电流指发电机中性点不接地时，在额定电压下出口发生单相金属性接地时流过接地点的电流；单相接地最大故障电流是指发电机中性点接入接地装置后，发电机出口发生单相金属性接地时在额定电压下流过接地点的电流；位移电压系数是指发电机在额定电压下中性点位移电压与中性点不对称电压的比值。

定子绕组对地电容为分布电容，为方便分析，将定子绕组对地分布电容看成集中电容，且并联在发电机定子绕组出线端对地之间，发电机中性点接地装置可等效为电阻与电感的并联等效电路，发电机中性点接地系统通用原理图如图1所示。

图1  发电机中性点接地系统通用原理图

1）中性点不对称电压

中性点不对称电压Ubd为

式（1）

由式（1）可知，当发电机定子绕组三相对地电容相等时，中性点不对称电压为零，但由于发电机定子绕组对地电容与定子绕组绝缘厚度、绕组长度、绝缘工艺等有关，不可能做到三相对地电容绝对相等，因此发电机中性点不可避免会出现不对称电压。发电机中性点不对称电压与三相电容的不对称度、定子绕组电压有关。三相电容越不平衡，不对称电压越高；定子绕组电压越高，不对称电压越高。

2）位移电压及位移电压系数

式（2）

式（2）中：Y0为发电机中性点导纳；YA、YB、YC分别为发电机A、B、C各相导纳。

由式（2）可知，当发电机中性点连接接地装置后，中性点电压即位移电压会增加或减小，这与发电机中性点接地方式和接地装置参数选择有关。当中性点接地装置选择消弧线圈时，消弧线圈感性导纳抵消接地电容容性导纳，位移电压就会升高，当消弧线圈感性导纳与接地电容容性导纳相等时，位移电压最高；当中性点接地装置选择高电阻时，r0较小，位移电压较低；当中性点接地装置选择高阻抗时，r0和L0适中，位移电压适中。

位移电压系数m为

式（3）

由式（3）可知，位移电压系数只与阻尼率和脱谐度有关，该指标表征了接地装置接入后发电机中性点位移电压的变化程度，与发电机本身的不对称电压无关，位移电压系数是接地装置的重要性能指标。当位移电压变化过大时，会导致三相电压不对称度超标，电能质量不满足要求，甚至引起发电机定子绕组接地保护跳闸。经过研究，位移电压允许值可确定为10%额定相电压，位移电压系数允许值可确定为1.5。

3）单相接地最大电容电流

式（4）

由式（4）可知，单相接地最大电容电流与发电机定子回路单相对地总电容和定子绕组电压成正比。发电机定子回路单相对地总电容越大，单相接地最大电容电流就越大；定子绕组电压越高，单相接地最大电容电流就越大。

4）单相接地最大故障电流

式（5）～式（7）

由式（5）～式（7）可知，单相接地最大故障电流是阻性电流和容性电流的相量和。对于消弧线圈接地方式，阻性电流较小，单相接地最大故障电流主要为中性点感性电流抵消电容电流后的电流；对于高电阻接地方式，单相接地最大故障电流实部主要为中性点电流，虚部主要为电容电流；对于高阻抗接地方式，单相接地最大故障电流实部主要为中性点阻性电流，虚部主要为中性点电感电流抵消单相接地电容电流后的电流。

因此，消弧线圈接地方式单相接地最大故障电流最小；高电阻接地方式单相接地最大故障电流最大；高阻抗接地方式单相接地最大故障电流适中。经过研究，单相接地最大故障电流短时允许值可确定为15A。

2  参数试验接线

发电机中性点接线系统参数试验接线示意图如图2所示，试验接线主要由发电机、中性点接地装置、主变压器等组成。图2中，KC为发电机中性点电压测量回路开关；TV为电压测量装置；TA、TA1为电流测量装置；QS为发电机中性点隔离开关；JZ为发电机中性点接地装置；KG为单相接地开关；G为发电机；N为发电机中性点；CA、CB、CC为涉及发电机中性点接地系统参数测试中所有电气一次设备单相对地等效总电容；GCB为发电机出口断路器；T为主变压器；LT为励磁变压器；GT为高厂变压器；QT为主变压器高压侧断路器。

图2  发电机中性点接地系统参数试验接线示意图

当测试中性点不对称电压时，断开发电机中性点接地装置，投入主变压器；当测试发电机位移电压时，投入发电机中性点接地装置，投入主变压器；当测试发电机单相接地电容电流时，发电机出口单相接地，断开发电机中性点接地装置，投入主变压器；当测试发电机单相接地故障电流时，发电机出口单相接地，投入发电机中性点接地装置，投入主变压器。

3  试验方法

3.1  中性点不对称电压测试

断开图2中主变压器高压侧断路器QT，合上发电机中性点电压测量回路开关KC和发电机出口断路器GCB，断开发电机中性点隔离开关QS和单相接地开关KG。发电机升速至额定转速nN，稳定在nN±0.05%nN后，读取发电机定子绕组三相电压和中性点电压，最高试验电压宜升至100%额定电压，但由于试验电压过高可能存在安全隐患，可降低试验电压至30%额定电压，线性归算至100%额定定子电压下，此时发电机中性点电压即为中性点不对称电压。继电保护正常投入。

3.2  位移电压测试

断开图2中主变高压侧断路器QT，合上发电机中性点电压测量回路开关KC、发电机中性点隔离开关QS和发电机出口断路器GCB，断开单相接地开关KG。发电机升速至额定转速nN且稳定在nN± 0.05%nN后，逐步升至30%～100%额定电压，读取发电机定子绕组三相电压和中性点电压，额定电压下的发电机中性点电压即为中性点位移电压。继电保护正常投入。

3.3  单相接地最大电容电流测试

断开图2中主变高压侧断路器QT，合上单相接地开关KG和发电机出口断路器GCB，断开发电机中性点电压测量回路开关KC和发电机中性点隔离开关QS。发电机升速至额定转速nN，稳定在nN± 0.05%nN后，逐步升至20%～50%额定电压且单相接地故障电流不超过4A，读取发电机定子绕组三相电压，通过录波器读取单相接地电容电流并获取波形，线性归算至100%额定电压下，此电流即为发电机单相接地最大电容电流。发电机基波零序过电压保护或三次谐波电压单相接地保护应修改保护定值，其零序电压定值应高于最高试验电压下单相接地零序电压值。

3.4  单相接地最大故障电流测试

断开图2中主变高压侧断路器QT，合上发电机中性点隔离开关QS、单相接地开关KG和发电机出口断路器GCB，断开发电机中性点电压测量回路开关KC。发电机升速至额定转速nN，稳定在nN± 0.05%nN后，逐步升至20%～50%额定定子电压且单相接地故障电流不超过4A，读取发电机定子绕组三相电压，用录波器读取单相接地故障电流和发电机中性点电流并获取波形，线性归算至100%额定定子电压下，此电流即为发电机单相接地最大故障电流。发电机基波零序过电压保护或三次谐波电压单相接地保护应修改保护定值，其零序电压定值应高于最高试验电压下单相接地零序电压值。

4  现场试验实例

4.1  发电机中性点接地系统相关设备参数

发电机额定容量为175MW，额定电压为13.8kV，定子绕组单相对地电容为2.281μF，发电机中性点采用高阻抗接地装置，接地变压器型号为FDG-100/13.8/0.4，额定容量为100kV·A，额定电压为13.8kV/0.4kV，电压比为34.5，接地变二次侧电阻器电阻值为0.67Ω（21℃），电抗器电感值为2.19mH。主变压器额定电压为242kV/13.8kV，高、低压绕组间电容为0.0062μF。

4.2  试验结果分析

1）中性点不对称电压

发电机中性点不带接地变压器，带主变压器、励磁变压器、厂用变压器运行，升速至额定转速，升压至额定定子电压，测试发电机中性点不对称电压。在100%额定定子电压下，发电机中性点不对称电压测试值为483.71V，未超过标准要求的10%额定相电压796.74V。中性点不对称电压测试结果见表1。

表1  中性点不对称电压测试结果

2）位移电压

发电机中性点带接地变压器，带主变压器、励磁变压器、厂用变压器运行，升压至100%额定定子电压，测试发电机位移电压。归算至100%额定定子电压下，位移电压为646.70V，未超过标准规定的10%额定相电压值796.74V，位移电压系数为1.337，未超过允许值1.5。位移电压测量数据见表2。

表2  位移电压测量数据

3）单相接地最大电容电流

发电机定子出口单相接地短路，中性点不带接地变压器，发电机带主变压器、励磁变压器、厂用变压器，测试发电机单相接地最大电容电流。归算至额定定子电压下，单相接地最大电容电流为17.12A，超过发电机单相接地最大故障电流短时允许值15A，因此需要在发电机中性点设置高阻抗接地装置抵消部分电容电流，将单相接地最大故障电流限制在15A以内。发电机单相接地电容电流测量数据见表3。

表3  发电机单相接地电容电流测量数据

4）单相接地最大故障电流

发电机机端单相接地，带主变压器，中性点带接地变压器、励磁变压器、厂用变压器，测试发电机单相接地最大故障电流。单相接地情况下，归算至额定定子电压下，发电机中性点电流为12.37A，波形毛刺较少，近似为正弦波；单相接地最大故障电流的电话谐波因数为122.23%，波形畸变率为69.55%，接地电流畸变较大，谐波成分较重，单相接地最大电流为12.39A，变压器低压侧对地电容较小，可以忽略，小于单相接地最大故障电流短时允许值15A。单相接地故障电流和中性点电流测试结果见表4。

表4  单相接地故障电流和中性点电流测试结果

5）电容电流试验结果对比分析

通过交流耐压试验测试单相对地集中电容为2.678μF，通过空载单相接地试验确定定子绕组单相对地分布等效电容为2.281μF，误差为17.4%，说明用交流耐压试验方法测试的单相对地电容误差较大，非常有必要在空载运行时进行不对称电压、位移电压、单相接地最大电容电流和单相接地最大故障电流测试。

5  结论

用交流耐压试验方法测试的单相对地电容误差较大，用此参数进行接地装置设计势必产生较大误差，甚至带来安全风险，为准确设计接地装置，非常有必要在空载运行时进行单相接地最大电容电流测试。为验证接地装置是否满足要求，有必要在空载运行时进行不对称电压、位移电压、单相接地最大故障电流测试。以上参数反映了发电机中性点接地方式和接地装置参数选择的优劣，开展上述参数试验，对于指导发电机中性点接地方式的选择或优化接地装置参数，具有重要的工程实践意义。

本工作成果发表在2023年第4期《电气技术》，论文标题为“发电机接地系统参数试验方法现场应用”，作者为江建明。本工作得到大型水轮发电机新型中性点接地运行方式研究项目的支持。