大型发电机定子中性点接地方式的研究，很多文献都作了不同程度的介绍［1～8］。有的进行了定性分析［8］，有的给出了定量计算［1，2，6］。在模型的选择上有的采用集中参数电路模型［2］，有的采用准分布参数电路模型［1］。在分析方法上有利用暂态网络分析仪（TNA）［2］、对称分量法［3，4］和PSPICE电路仿真［1］等方法。在接地方式的选择上有的偏向高电阻接地［7］，有的则注重消弧线圈接地［4］。文献［2］使用集中参数电路模型、利用暂态网络分析仪（TNA）对高电阻和消弧线圈两种接地方式进行了研究，并给出了健全相过电压与频率的变化关系曲线，但由于集中参数电路模型过于简化，则会带来不可避免的误差。而对称分量法是建立在稳态基础上，不能准确地描述暂态量的关系。文献［1］考虑了发电机定子绕组对地分布电容的存在，使用准分布参数电路模型、利用PSPICE电路仿真软件对上述两种接地方式进行了仿真研究，并用多种方法验证了准分布参数电路模型的正确性，由于篇幅的限制，有些问题没有涉及。本文拟在文献［1］的基础上使用准分布参数电路模型、利用PSPICE电路仿真软件对高电阻和消弧线圈两种接地方式的有关问题作进一步探讨，基本内容为：两种接地方式在燃弧时的过电压和接地电流；考虑燃弧的暂态过程中定子绕组的超瞬变电枢反应感抗影响后的电压和电流；准分布参数电路中单元回路形式不同时的影响，单元电路串联个数不同时的影响；消弧线圈电阻的存在、发电机频率的变动、每次燃弧时间的长短以及多次燃弧等问题的影响。并与前人的研究结果进行了比较，分析了两种接地方式的优缺点，指出了在接地方式的选择上应注意的问题。对发电机接地方式的选择具有重要意义。
1 研究对象、模型、基本假设
1.1 研究对象
研究对象与文献［1］相同，即二滩电站水轮发电机，基本数据为：额定频率PN=550 MW,额定电压UN=18 kV，额定电流IN=19 630 A，额定功率因数cosφN=0.9，额定空载电压时的励磁电流IF0=1 587 A，额定负载时的励磁电流IFN=2 709 A，定子绕组每相并联支路数a=6,定子每支路串联线圈数N=27，极对数P=21，每相对地电容C0=1.686 μF，定子每相电阻（75 ℃时）R?S=3.6 mΩ，定子每相漏电感LS=227.05μH，额定频率fN=50 Hz。消弧线圈接地中性点感抗XN为推荐值XC0/3，高电阻接地中性点电阻RN（从配电变压器原边看）亦为推荐值XC0/3，其中XC0为发电机每相对地容抗，因此得LN=2.003 2 H和RN=629.32 Ω。
1.2 电路模型
考虑发电机定子绕组对地分布电容的存在，采用由单元电路串联而成的准分布参数电路模型，图1中（a）、（b）为两种单元电路形式。
表1 两种接地方式的电压和电流值
高电阻接
地（单燃） 高电阻接
地（重燃） 消弧线圈接
地（单燃） 消弧线圈接
地（重燃）
过电压/kV 37.313 37.427 38.700 50.457
接地电流/A 33.036 0 33.205 0 0.558 8 2.348 4
2.2 考虑仿真电路中的电感为超瞬变电枢反应电感时的仿真
文［1］中定子绕组的电感取漏电感LS，但在燃弧的暂态过程中， 仿真电路中的电感取超瞬变电枢反应电感较为合理，考虑这个因素，则各相电感量要大于LS，我们将燃弧时定子绕组的超瞬变电感分别设置为漏电感的2倍（2LS）和4倍（4LS）。仍用电路图2，在消弧线圈接地方式下重燃与LS对比仿真计算，得到表2的结果，从表中对比可知：当仿真电路采用超瞬变电枢反应电感时，燃弧时健全相的过电压有所增加，而接地电流有所减小。显然考虑了超瞬变电枢反应感抗影响后更接近实际。
表2 不同LS的电压和电流
L?S 2L?S 4L?S
过电压/kV 50.457 51.764 53.795
接地电流/A 2.348 4 1.872 1 1.739 0
2.3 不同的单元电路形式串联时的仿真
采用图1（b）的单元电路，组成由6个单元电路串联而成的分布参数电路模型，对其仿真计算（消弧线圈接地），得到过电压和接地电流分别为52.117 kV和2.784 7 A，与表2的第2列（图2电路的结果）比较可知，单元回路的形式不同，其结果便不相同，在实际中应从最坏处考虑。
2.4 由个数不同的单元电路串联的准分布参数电路的仿真
采用图1（a）的单元回路，分别组成由3个单元串联、6个单元串联、10个单元串联、18个单元串联的准分布参数电路，与文献［2］的集中参数电路进行重燃对比仿真（消弧线圈接地），得到表3的结果，从表中比较可知，随着单元电路串联个数的增加，健全相过电压呈增加趋势，但其增加的幅度越来越小，这种增加不是无限的，必定有个上限值。显然，由18个单元电路串联而成的准分布参数电路更接近实际。
表3 个数不同的单元电路串联时的电压和电流
集中参数 3个
单元串 6个
单元串 10个
单元串 18个
单元串
过电压/kV 44.586 47.250 50.457 52.300 52.461
接地电流/A 1.666 0 0.985 5 2.348 4 2.443 6 1.486 1
2.5 考虑消弧线圈电阻时的仿真
实际的消弧线圈存在一定的电阻，考虑了电阻的存在，对图2电路进行仿真，得到表4的结果，可以看出，与消弧线圈串联一个合适的电阻，不仅可使健全相过电压大大降低，接近高电阻接地时的过电压值（表1），同时可使电弧电流（取单次燃弧和重燃时的较大值）小于或接近消弧线圈接地时的电弧电流。综合考虑过电压和电弧电流，与消弧线圈串联的电阻值在10 Ω（ωLN的1.6%）至40 Ω（ωLN的6.4%）之间，均为较理想的选择。
表4 消弧线圈串电阻的电压和电流值
无电阻 串电阻/Ω
5 10 20
过电压/kV 50.457 42.587 39.934 38.858
接地电流/A 2.348 4 0.767 6 1.268 5 1.493 2
串电阻/Ω
30 40 50 100
过电压/kV 38.418 38.485 38.868 38.574
接地电流/A 2.369 0 2.708 4 3.407 2 6.000 9
2.6 发电机频率变动时的仿真
考虑到发电机启动、停机、突然过载下的发生接地，其频率有一个波动范围，在不考虑发电机电动势幅值变化时，对图2频率为40 Hz，50 Hz，60 Hz的情况进行仿真，结果如表5。从表中知，频率变动对高电阻接地时的过电压影响不大，但消弧线圈接地时过电压和燃弧电流均有所增加。通过对多个频率点的仿真计算，可得出重燃时健全相过电压标幺值与频率的变化关系曲线图8，该图与文［2］中Brown P G 等人的研究结果相比较为平坦，这是因为本文采用了准分布参数电路，并考虑了定子绕组的电阻与电感的缘故。
表5 频率不同时的电压和电流
f/Hz 高电阻接地 消弧线圈接地
40 50 60 40 50 60
过电压
/kV 38.450 38.731 38.780 55.184 50.457 55.680
接地电
流/A 36.675 35.513 36.695 12.302 2.348 4 12.855
3为消弧线圈接地方式（中性点电感有一定电阻）
图8 过电压与频率的关系曲线
2.7 过电压与燃弧时间长短的关系
上面的仿真中，第一次及第二次的燃弧时间均选择3个工频周期。如果燃弧时间取别的整周期数（我们又分别做了2，5，7，10个周期等），仿真结果与上面没有明显的差别。
2.8 关于第三次或多次燃弧
重燃切除后在A相节拍振荡过电压的最大幅值处第三次燃弧，在健全相产生的过电压与第二次燃弧时的值差别甚小。用同样的方法进行第四、第五及更多次燃弧，其结果基本相同。但实际上这样的几率是极小的。
3 结论
（1） 对高电阻和消弧线圈两种接地方式，燃弧后的健全相过电压分为三个阶段：一是尖峰，将其展开后实际为一暂态过程；二是尖峰过后燃弧期的过电压稳态值，其等于线电压值；三是燃弧切除后的电压恢复阶段，高电阻接地方式恢复较快，这对系统有利，但对燃弧点来说，恢复速度快意味着燃弧点的电离介质要承受比较大的电压冲击和较大的重燃概率；而消弧线圈接地方式恢复过程为节拍振荡，恢复较慢，这对系统不利，但却使重燃的概率减小了。
（2） 燃弧开始时的尖峰来源于电容的瞬间放电，与绕组瞬变电感形成暂态振荡衰减电流，这样的电流在各相电阻和电感上均要产生压降，其叠加在B相和C相电压上即形成更大的暂态过电压尖峰，该尖峰对电机绝缘非常不利。
（3） 消弧线圈接地时燃弧切除后电压的节拍振荡，是由于消弧线圈与电容进行能量交换，形成衰减较慢的振荡电压，其频率较接近50 Hz的电源频率，与电源电压叠加后形成较大周期的节拍振荡电压。若稍改变消弧线圈的电感或改变电源频率，拍周期将会大大缩短。
（4） 对于消弧线圈接地方式，如果在发电机启动、停机或失步等情况下使频率偏离额定频率时发生燃弧，过电压和接地电流均增加。一旦出现这种情况，应采取切机、灭磁等措施，避免该现象发生。
（5） 高电阻接地方式过电压较小，单相接地电流较大。在选择高电阻接地方式作为发电机定子中性点保护方式时，必须针对接地电流比较大的问题，采取相应的措施，防止出现铁心在大电流下的烧蚀。
（6） 消弧线圈接地方式过电压较大，单相接地电流较小。若采用消弧线圈接地方式作为发电机定子接地保护，应解决好电弧重燃引起大的过电压以及频率变动时过电压和接地电流增加等问题。若与消弧线圈串联一个合适的小电阻，可以比较有效地抑制过电压，同时保留接地电流比较小的优点。
作者简介：李汝良（1956-），男，教授，在河南省商丘师专物理系电机及其控制专业工作，现为清华大学电机工程系访问学者，从事电机暂态过程的研究；李义翔（1974-），男，博士生，从事电机暂态过程的研究；王祥珩（1940-），男，教授，博士生导师，从事电机分析和控制、电气传动及其自动化方面的研究。
参考文献
〔1〕 李义翔，王祥珩，王维俭，等.大型发电机定子中性点接地方式研究的一种新途径［J］.电网技术，1997，21（9）
〔2〕 Brown P G， Johnson I B， Stevenson J R. Generator Neutral Grounding,Some Aspects of Application for Distribution Transformer with Secondary Resistor and Resonant Types［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. 1978,PAS-97（3）：683～694
〔 3〕 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用［M］.北京：中国电力出版社，1996
〔4〕 王维俭，刘俊宏.大型发电机中性点接地方式的决择［J］.电网技术，1995，19（6）
〔5〕 王维俭，刘俊宏，汤连湘，等.从三峡发电机组安全的观点分析机组中性点接地方式［J］.电力自动化设备，1995，15（4）
〔6〕 王维俭，鲁华富.大型发电机中性点接地方式与定子接地保护灵敏度关系的分析计算［J］.电力自动化设备，1995，15（3）
〔7〕 王志英，容健纲.发电机中性点接地方式的研究［J］.电网技术，1994，18（4）
〔8〕 游高麟.关于单元接线发电机中性点接地方式的商榷［J］.电力技术，1983，16（12）
编辑;何世平
