发电机单相接地故障时的基波零序电压

摘要：这是一个非常专业且核心的电力系统问题。我们来详细解析发电机发生单相接地故障时，基波零序电压的产生、特性和应用。

核心结论

当发电机内部发生单相接地故障时，故障点处的基波零序电压大小，等于故障发生前该点的正常相电压。对于发电机机端，这个零序电压会随着故障点位置的变化而变化。

---

详细分析

1. 基本原理：对称分量法

分析不对称故障（如单相接地）最有效的工具是对称分量法。任何一组不对称的三相相量（如故障时的三相电压）都可以分解为三组对称的分量：

正序分量：三相大小相等，相位互差120°，相序为A-B-C（正常运行时只有此分量）。

负序分量：三相大小相等，相位互差120°，相序为A-C-B。

零序分量：三相大小相等，相位相同。

对于单相（假设为A相）接地故障，我们关心的是零序分量。

2. 发电机单相接地故障的等值电路

发电机的单相接地故障分析有一个经典的模型，其关键参数是接地过渡电阻 RfRf​ 和故障点位置（用α表示，α=0为中性点，α=1为机端）。

零序电压 U0˙U0​˙​ 的表达式为：

U0˙=−αEA˙jωC0ΣjωC0Σ+1Rf+jωCgU0​˙​=−αEA​˙​jωC0Σ​+Rf​1​+jωCg​jωC0Σ​​

其中：

αα：故障点位置（从中性点算起的百分比，0到1）。

EA˙EA​˙​：发电机的相电动势。

C0ΣC0Σ​：发电机及其相连设备每相对地的总电容。

CgCg​：发电机中性点接地装置附加的电容（如果采用消弧线圈补偿，则为负的感抗，此处为简化用电容表示）。

RfRf​：接地过渡电阻。

3. 基波零序电压的特性分析

从上述公式和等值电路，我们可以得出几个关键特性：

a) 金属性接地（Rf=0Rf​=0）的理想情况
这是最简单的情况。当 Rf=0Rf​=0 时，公式分母中的 1/Rf1/Rf​ 项趋于无穷大，使得分数部分趋于1。因此公式简化为：

U0˙=−αEA˙U0​˙​=−αEA​˙​

结论：

故障点的零序电压大小 U0=α×EphU0​=α×Eph​（EphEph​ 为相电压）。

在发电机中性点（α=0）：U0=0U0​=0。

在发电机机端（α=1）：U0=EphU0​=Eph​，即相电压。

零序电压与故障位置α成正比线性关系。

b) 非金属性接地（Rf>0Rf​>0）的实际情况
当接地电阻不为零时，情况更复杂：

零序电压会变小：由于RfRf​的分流作用，故障点的零序电压幅值会比金属性接地时小。

与对地电容电流有关：零序电压的大小和相位与电网的对地电容 C0ΣC0Σ​ 密切相关。电容电流越大，在RfRf​上产生的压降越大，零序电压越小。

用于保护的死区：如果RfRf​很大，产生的零序电压可能很小，低于保护的启动值，从而造成保护拒动。这就是“高阻接地死区”。

4. 基波零序电压的测量与获取

在实际系统中，我们通常通过以下方式获取基波零序电压：

发电机中性点：

如果中性点接有配电变压器，则从其二次侧开口三角形绕组或二次绕组测量得到的电压，正比于基波零序电压 3U03U0​。

如果中性点直接经高阻接地，则直接从接地电阻上抽取电压。

发电机机端：

使用三相五柱式电压互感器（或三台单相PT），将其一次侧中性点接地，二次侧的开口三角形（辅助二次绕组）输出电压即为 3U03U0​。

5. 在继电保护中的应用

基波零序电压是构成发电机定子接地保护的主要判据。

95%定子接地保护（基波零序电压保护）：

原理：检测发电机机端或中性点的基波零序电压 3U03U0​。

动作判据：当 ∣3U0˙∣>Uset∣3U0​˙​∣>Uset​ 时，保护动作。UsetUset​ 为整定电压，需要躲过正常运行时的不平衡电压（主要由三相电压互感器误差、三次谐波等引起）。

保护范围：理论上能保护从机端开始约95%的定子绕组。靠近中性点的约5%区域由于故障时零序电压很低，该保护无法动作，称为“死区”。

100%定子接地保护：

为了消除上述死区，采用双频原理：

基波零序电压原理：保护定子绕组的绝大部分（85%-95%）。

三次谐波电压原理：利用发电机固有的三次谐波电压。正常情况下，机端和中性点的三次谐波电压有一定比例关系。发生接地故障时，这个关系被破坏。该原理对中性点附近的故障非常灵敏。

将基波原理和三次谐波原理结合，构成完整的100%定子接地保护。

总结

特性	描述
物理本质	故障点处三相电压不对称产生的共模电压分量。
大小	故障点处 U0=α×K×EphU0​=α×K×Eph​，其中K是受RfRf​和CΣCΣ​影响的系数。金属性接地时K=1。
相位	与故障相在故障前的电压相位相反。
测量点	发电机中性点（通过接地变压器）或机端（通过PT开口三角）。
主要应用	发电机定子接地保护的核心判据，与三次谐波电压配合实现100%保护。

简单来说，发电机单相接地故障时的基波零序电压，就像一个“故障定位器”，其大小直接反映了故障发生在绕组上的具体位置，是发电机最重要的保护之一——定子接地保护——赖以存在的根本信号。

-------------------------------------
康明斯动力设备（上海）有限公司
柴油发电机组销售供应与价格咨询-一站式预集成电力解决方案提供商
如果想要掌握更多柴油发电机组技术资讯，请在官网http://www.cumins-power.com查询电话联系方式