接地故障中和器或彼得森線圈是一種高阻抗鐵芯電抗器，用于三相網(wǎng)絡(luò)以減少單線對(duì)地故障電流、減少斷路器操作次數(shù)并提高服務(wù)連續(xù)性。
　　在電力系統(tǒng)中，電容性故障電流通過(guò)故障返回系統(tǒng)。同樣，來(lái)自系統(tǒng)和地面之間其他導(dǎo)納的任何故障電流的附加分量都將通過(guò)故障返回。最終的故障電流將是各種分量的疊加。如果兩個(gè)大小相等、符號(hào)相反的故障電流在故障處合并，它們會(huì)相互抵消。
　　彼得森發(fā)明的一個(gè)重要特點(diǎn)是它增加了適當(dāng)大小的感應(yīng)電流來(lái)中和電容故障電流。
　　中和電流可以來(lái)自任何來(lái)源，只要正確的量流過(guò)故障即可。第一種方法可能是將三相電抗器與每個(gè)導(dǎo)體的接地電容并聯(lián)（圖 1）。
　　　　圖 1.三相接地故障中和器
　　當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí)，在無(wú)故障相與地之間流動(dòng)的額定頻率電容電流（充電電流）將與接地電抗器中流動(dòng)的額定頻率電流大致相等。這些分量在故障位置的相位差為 180°，中和效應(yīng)很明顯。
　　中性線電壓升高到故障導(dǎo)線的相間電壓和線間電壓，并出現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，即地面和兩條無(wú)故障線路之間（增加 73%）。
　　流過(guò)電容的電流為：
　　Ic = VphωC
　　通過(guò)反應(yīng)堆的電流為：
　　Ir = Vph/ω L
　　在哪里：
　　Vph = 均方根相量電壓
　　ω = 弧度頻率
　　C = 電容
　　L = 電感
　　通過(guò)滿足條件 ω ? L = 1/ω ? C，我們可以確認(rèn)通過(guò)電容和電抗器的電流相互中和。
　　三相法在理論上是正確的，但在經(jīng)濟(jì)上并不合理。與故障相連接的電抗器不工作，并將工作容量降低到總裝機(jī)容量的三分之二（或更少）。通過(guò)兩個(gè)運(yùn)行電抗器的電流相位差 60°，產(chǎn)生的電流是通過(guò)單個(gè)電抗器電流 (I0L) 的 1.73 倍?！　D 1 所示的布置并不是一個(gè)實(shí)用的方案，但將這種基本形式的相接地與連接到中性點(diǎn)的電抗器的相同原理的優(yōu)越應(yīng)用進(jìn)行比較是有益的，如圖 2 所示。彼得森在他最初的德國(guó)專利中給出了這兩種解決方案。

　　圖 2.電容電流和電感電流
　　電抗器與發(fā)電機(jī)、配電變壓器或之字形接地變壓器的中性線相連。
　　系統(tǒng)導(dǎo)體與地面之間的相互作用等效地由轉(zhuǎn)移到電源中性點(diǎn)的三個(gè)對(duì)地電容表示。直接或通過(guò)接地變壓器連接到中性點(diǎn)的接地電感電抗將與轉(zhuǎn)移電容并聯(lián)出現(xiàn)。
　　在這種情況下，對(duì)地的總?cè)菘篂椋?br>　　1/ΣωCn
　　其中，對(duì)于三相系統(tǒng)，n = 1、2 和 3。
　　滿足條件的電感電抗
　　ω  L = 1/ Σ ω ? Cn
　　就會(huì)抵消這種容抗，這個(gè)表達(dá)式就是彼得森用系統(tǒng)電容調(diào)諧接地電抗器的規(guī)則，與電路進(jìn)入諧振的條件相一致。
　　系統(tǒng)可以 100% 調(diào)諧或失調(diào)。失調(diào)時(shí)，可能會(huì)補(bǔ)償不足或過(guò)度，具體取決于電容和電感之間的平衡。
　　圖 2 顯示了單線接地故障期間流過(guò)的電容電流和電感電流的大小。顯示的數(shù)字以單位 (pu) 為單位，故障前通過(guò)自然電容接地的電流為 1 pu。根據(jù)基爾霍夫電流定律，中性點(diǎn)處的 Ib + Ic + 3I0L = 0。
　　圖 3 顯示了得到的相量圖。
　　圖3.  a相單線接地故障時(shí)的電壓和電流
　　用對(duì)稱分量法研究系統(tǒng)行為
　　讓我們分析一下位于中性線且采用對(duì)稱元件的接地故障中和器的效果。
　　圖4示出了a相單相接地故障時(shí)正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)情況。
　　　　圖 4.相 a 單線接地故障序網(wǎng)絡(luò)連接
　　X1c、X2c 和 Xc 的值（即分布電容電抗）與 Z1s、Z2s、ZTx、Z1line、Z2line 和 Z?line 的串聯(lián)阻抗值相比相當(dāng)大。然后，Z1s 和 ZTx 在正序網(wǎng)絡(luò)中使 X1c 短路，Z2s 和 ZTx 在負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中使 X2c 短路。此外，與 Xc 和 3X 的并聯(lián)相比，電源、變壓器和線路串聯(lián)阻抗之和接近于零。
　　要計(jì)算故障電流，在a相中，零序網(wǎng)絡(luò)就可以了。
　　圖 5 以略有不同的方式顯示了序列網(wǎng)絡(luò)的連接，突出顯示了電抗器、變壓器和電容中的電流分布。該分析忽略了變壓器阻抗的電阻。
　　　圖 5.零序網(wǎng)絡(luò)中的電流分布
　　觀察圖 5 中通過(guò)電抗器的電流僅為零序網(wǎng)絡(luò)電感分量的一倍，而圖 2 中則是三倍。這種情況不應(yīng)引起混淆，因?yàn)樗皇且环N代數(shù)技巧，其中數(shù)字三從電流變?yōu)殡姼?，但它們的乘積電壓保持不變。要記住的關(guān)鍵概念是中性線電抗的實(shí)際值是其實(shí)際值的三倍。
　　為了計(jì)算所需中性電抗的近似實(shí)際值（在系統(tǒng)的健康狀態(tài)下），我們使用以下公式：
　　Xt + 3X = Xc
　　并得到：
　　X = 1/3(Xc – Xt)
　　從圖 5 中我們可以看出：
　　Z= j(Xt + 3X) (-j Xc) / (j Xt + 3jX- j Xc)但在共振時(shí)：
　　Xt + 3X = Xc
　　然后：
　　Z? = j(Xt + 3X)  (-j Xc) / 0 = 其作用類似于開(kāi)路。
　　當(dāng) a 相發(fā)生單相接地故障，且 Z = 時(shí)，故障處的零序電壓將為 a 相故障前的線對(duì)中性點(diǎn)電壓。此電壓將允許電容電流和電感電流在零序回路中流動(dòng)，盡管正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)有電流流動(dòng)。
　　由于功率損耗分量（包括絕緣子漏電流損耗和電暈損耗）、諧波和不完善的調(diào)諧，通過(guò)故障的返回路徑僅攜帶少量殘余電流。功率損耗分量將與電壓同相；電壓和電流將同時(shí)通過(guò)零點(diǎn)，并將電弧熄滅到地面而不會(huì)重新觸發(fā)。
　　剩余電流的一個(gè)有用方面是它有助于定位永久性故障。
　　此外，在熄滅電弧后，諧振條件將使跨越其的電壓幅度非常接近零序電壓。這種低電壓條件將補(bǔ)充小的剩余電流，以熄滅電弧并防止重?fù)?。在補(bǔ)償系統(tǒng)中，電壓恢復(fù)時(shí)間比非接地網(wǎng)絡(luò)要慢得多。
　　接地故障電流可能約為不接地系統(tǒng)的 3-10%。相比之下，由電抗器和自然接地電容形成的回路中的循環(huán)電流幅度可能很大。
　　通常，非換位線路或具有許多單相抽頭的線路中的自然對(duì)地電容并不均衡（非對(duì)稱配置）。這兩種情況在配電系統(tǒng)中很常見(jiàn)。在這些情況下，負(fù)載電流可能會(huì)產(chǎn)生較小的零序電壓。零序電壓可能充當(dāng)中性線和地之間的源，并與 X和 Xc 形成串聯(lián)諧振電路。
　　在諧振時(shí)，電容和接地電抗器兩端的電壓大小相等，但相位相反。如果電路電阻較低，這些電壓可能會(huì)變得非常大，甚至比施加的零序電壓還要大。因此，所有網(wǎng)絡(luò)都需要線間絕緣。
　　以前的裝置使用固定值電抗器，調(diào)節(jié)條件根據(jù)系統(tǒng)布置而變化。安裝在新型電抗器上的抽頭允許手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。其他設(shè)備（如帶有控制系統(tǒng)的柱塞）為調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了安全的方法。
　　一個(gè)例子
　　13.8kV 配電網(wǎng)對(duì)地總充電電容（用表格計(jì)算）為 0.658 微法拉/相。額定頻率為 60Hz，忽略變壓器阻抗，計(jì)算：
　　每相零序容抗（X0c）
　　每相電容充電電流（I0c）
　　連接至中性線的電抗的實(shí)際值 (XL)
　　單線接地故障時(shí)，流過(guò)零序網(wǎng)絡(luò)電感分量的電流 (I0L)額定頻率故障電流（If）
　　流過(guò)實(shí)際電抗器的電流（3I0L）
　　回答：
　　-jX0c = -j/120πC = -j10/12π0.658 = -j4 031.40 Ω/相jI0c = jVLL/√3X0c = j13 800/√34 031.40 = j1.976 A/相jX= 1/3(Xc – Xt) = j Xc/3 = j4 031.40/3 = j1 343.80 Ω-jI0L = -jVLL/3√3XL = -j13 800/3√31 343.8 = -j1.976 A/相如果 = jI0c + (-jI0L) = j(I0c-I0L) = j(1.976 – 1.976) = 0 A3I0L = 31.976 = 5.928 ~ 6 A或VLL/√3XL = 13 800/√3?1 343.80 = 5.928 ~ 6 A優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
　　接地故障中和器在空中頻繁發(fā)生單線接地故障的系統(tǒng)中非常有用，例如架空輸電線。大多數(shù)此類故障都是瞬態(tài)的。使用這種方法的用戶聲稱停電率很低，從而提高了電網(wǎng)質(zhì)量。中和器將電弧電流保持在自熄水平以下，清除瞬態(tài)故障并使電弧路徑消電離，而無(wú)需斷開(kāi)故障線路。
　　然而，故障中的剩余電流仍然對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成危險(xiǎn)，包括引發(fā)火災(zāi)。一些國(guó)家在中壓網(wǎng)絡(luò)中使用絕緣電纜。因此，未補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嚯娏鲿?huì)大幅增加，從而增加風(fēng)險(xiǎn)。
　　對(duì)于持續(xù)故障，公用事業(yè)公司使用接地故障中和器和跳閘方案。典型的保護(hù)系統(tǒng)包括一個(gè)單極旁路斷路器，如果故障未消除，它會(huì)在設(shè)定的時(shí)間后使電抗器短路。旁路斷路器的閉合將使中性線可靠接地，從而使標(biāo)準(zhǔn)接地繼電器能夠拾取并有選擇地清除故障。延遲時(shí)間設(shè)定了電抗器的熱額定值。
　　另一種方法是將電阻器和單相電源斷路器與電抗器或輔助繞組并聯(lián)。電抗器將在故障發(fā)生時(shí)將故障電流和瞬時(shí)過(guò)電壓限制在安全值。對(duì)于永久性故障，電源斷路器將在預(yù)設(shè)時(shí)間后關(guān)閉，電阻將允許足夠的接地故障電流，使繼電器拾取并發(fā)出警報(bào)或跳閘故障饋線的斷路器。
　　許多國(guó)家都有規(guī)定設(shè)定允許的最長(zhǎng)預(yù)設(shè)時(shí)間，以保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。
　　傳統(tǒng)接地故障中和器的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是它無(wú)法消除固體絕緣（如紙、涂漆的細(xì)麻布和橡膠）中的故障。使用接地故障中和器，電纜故障可能會(huì)再次發(fā)生并產(chǎn)生短路，故障電流足以使故障饋線的斷路器跳閘。
　　接地故障中和器的其他缺點(diǎn)包括：
　　所有系統(tǒng)必須具有線間電壓絕緣。
　　需要對(duì)反應(yīng)堆進(jìn)行重新調(diào)整，以適應(yīng)系統(tǒng)配置的變化。
　　接地故障中和器的應(yīng)用領(lǐng)域
　　接地故障中和器已在歐洲大部分地區(qū)用于架空輸電、二次輸電和配電線路多年，這些線路中的大多數(shù)故障都是瞬態(tài)單相接地。中國(guó)、以色列、巴西和世界其他地區(qū)也使用這種接地方法。
　　在美國(guó)，接地故障中和器并不流行，因此使用不多。然而，接地發(fā)電機(jī)是其中一種應(yīng)用。在這種情況下，由于發(fā)電機(jī)與變壓器之間的距離較短，系統(tǒng)電容較小且固定，從而減少了重新調(diào)整的需要。如果發(fā)生接地故障，發(fā)電機(jī)可能會(huì)繼續(xù)工作，直到適當(dāng)停機(jī)。然而，發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的方法是高電阻接地。
　　由于接地故障中和器缺乏換位和頻繁單相抽頭，因此其特性不對(duì)稱，因此在配電系統(tǒng)中應(yīng)謹(jǐn)慎使用接地故障中和器。此外，配電系統(tǒng)中的重復(fù)開(kāi)關(guān)操作需要不斷重新調(diào)整電抗器。在工業(yè)中，僅建議在關(guān)鍵工藝中使用接地故障中和器。