基于10kV母線三相電壓不平衡的分析

張峰++盧敏波

摘 要 通過對某變電站10kV母線三相電壓不平衡現狀，通過現場實際測量，多方面綜合分析研究，最終確定電壓不平衡的原因，并采用逐一排除法進行了處理，消除了隱患，保證了電網設備的安全。

【關鍵詞】電壓不平衡 研究 排查 消弧裝置 消除隱患

廣東佛山區域的10kV電網負荷的逐年增長，而且由于城市建設規范，10kV電纜在城市配網區域的應用日益增多，系統的電容電纜大幅增大，在10kV不接地系統發生單相接地故障時故障點產生間隙性電弧（圖1），當電容電流過大造成接地點的電弧不能自行熄滅將產生弧光接地過電壓，造成相當地電源增加。過電壓導致設備絕緣損壞及造成多點接地短路，造成事故擴大。而目前應用最廣泛的是變電站安裝消弧線圈，通過消弧裝置的電阻與故障時的電容電流抵消，使10kV接地時的弧光電流大大減少，減少了設備絕緣損壞造成的風險。

目前消弧線圈的運行方式分為：全補償、過補償及欠補償三種方式，實際生產中過補償是目前電容補充的技術要求。本站的消弧裝置應用中性點并聯的阻尼裝置實現接地時的容性電流的補償。

1 10kV母線三相電壓不平衡原因狀況及原因分析

1.1 當時的現狀情況

1.1.1 事件發生前的運行方式

某站：該站為典型110kV雙電源供電方式，站內110kV電源方式由110kV甲線（143）電源供110kV1M、2M母線負荷，110kV乙線（154）熱備用狀態，#1主變受電轉供10kV1M母線運行，#2主變受電轉供10kV2M母線運行，10kV母聯500開關在熱備用狀態。10kV#1站用變（506）、#1消弧裝置（507）、51PT運行10kV1M母線；10kV佳#2站用變（505）、#2消弧裝置（508）、52PT運行于10kV2M母線。

1.1.2 事件簡況

某站：3月4日17時10分巡檢人員接監控通知10kV 2M母線PT C相電壓偏低，監控后臺10kV 2M母線接地動作（4秒后復歸）；10kV丙線路718小電流接地動作（瞬時復歸）監控機界面：10kV2M母線ABC三相電壓分別為6.0kV/5.95kV/5.08kV。運行人員到站測量10kV 2M母線PT三相二次電壓值分別為：A：65V、B：63V、C：51V、L：15V，10kV#2消弧裝置控制器顯示曾有接地現象，顯示液晶屏顯示2016年3月4日17：10：51至17：10：54 10kV 718線路中性點電壓：57.28V；電容電流：57.81A；中性點電流：56.11A；殘流：5.949A；脫諧度：10%。運行人員聯系調度申請斷開#2消弧裝置508開關后，10kV 2M母線PT三相電壓恢復正常。

1.1.3 處理經過

運行人員現場報調度人員，根據后臺機顯示10kV 2M母線電壓A/B/C三相電壓分別為異常電壓值，SOE顯示曾經發生過10kV 2M母線接地現象，且10kV消弧裝置控制器有保護動作信息，對站內10kV 2M母線設備進行排查，外觀檢查一次設備沒有異?，F象，于是在10kV 2M母線PT柜二次端子排測量10kV2M母線二次電壓： AN：65V BN：63V CN：51V LN：15V；綜合上述現象初步判斷10kV#2消弧裝置內部存在異常故障。經聯合生產廠家對#2消弧裝置停電檢查，#2消弧線圈本體及二次控制器存在故障，運維單位聯合廠家技術人員到檢查消弧線圈并試驗，發現阻尼裝置并聯的兩個可控硅中的一個損壞導通。更換損壞可控硅后，#2消弧裝置復電，10kV2M母線電壓恢復正常。

1.2 處理過程原因分析

造成10kV母線三相電壓不平衡原因可能有如下幾種：

（1）電網本身三相參數不對稱造成。如架空線三相對地電容不對稱，電源電壓不對稱以及電網諧波含量過大等。查看10kV 2M母線電壓正常運行時的中性點不平衡電壓約85V（一次值），數值稍大。原因是配網系統三相線路參數存在一定不平衡，但不會造成該故障。

（2）出線回路發生接地情況。線路發生單相接地時，故障相對地電壓降低，非故障相對地電壓升高，金屬性接地時故障相降為0，非故障相升為線電壓。根據本次故障現象，17：10時卻是發生過線路單相接地情況，但是該線路接地故障只存在了4秒就消失了，之后系統就沒有再出現接地信號，也可排除系統接地的原因。

（3）母線電壓互感器一次或二次熔絲熔斷或接觸不良。母線電壓互感器一相一次熔絲熔斷表現為一相電壓明顯降低，其他兩相電壓基本維持不變；母線電壓互感器一相二次熔絲熔斷，表現為一相電壓為零，另外兩相電壓正常。

本次故障時C相電壓明顯降低，A、B相電壓明顯升高，不符合熔斷器熔斷特征。

（4）10kV電力系統發生諧振。10kV消弧線圈為電感元件，消弧線圈內部有阻尼電阻，線路各相導線對地和導線間存在電容，這些元件可組成RLC震蕩回路，在感抗XL和容抗XC相等的情況下，即脫諧度υ=（IC-IL）/IC=0，可發生諧振。諧振現象表現為三相電壓波動，線電壓基本維持不變。根據本次故障現象，結合以往經驗也曾試過投入消弧線圈后導致母線電壓不平衡情況，試退出消弧線圈，母線電壓果然恢復正常。

1.3 故障深度詳細分析

停電檢查發現故障點是阻尼裝置并聯的兩個可控硅中的一個損壞導通，聯同廠家技術人員詳細檢查分析如下：

（1）首先10kV 2M母線所帶配網在正常運行時，由于線路的三相對地電容不平衡，從而導致電網中性點與地之間存在一定電壓，其電壓值大小與電容的不平衡度有關，查看系統正常運行時數據，10kV 2M母線正常運行中性點不平衡電壓有85V左右。根據規程規定，在正常情況下，中性點不平衡電壓應不超過額定相電壓的1.5%，而中性點不平衡電壓有85V，為額定相電壓1.4%，稍偏大。

（2）消弧裝置一次接線圖如圖2所示。

（3）消弧線圈投入系統后，其等值零序電路如圖2。消弧線圈的電抗、電阻與線路不平衡電容形成回路，回路中有零序電流I0流過，于是在消弧線圈兩端產生電位差（如圖3），該電位差就是通常所稱的中性點位移電壓U0，中性點位移電壓U0可由下式計算：

U0=Ubd×（ZL+ZR）/（ZL+ZR+ZC）= Ubd×（R+jwl）/（R+jwl+1/jwc）= Ubd/ （υ-jd）= Ubd/ √（υ2+d2）

式中：Ubd為電網中的不對稱電壓；

υ為消弧線圈的脫諧度υ=（IC-IL）/IC；

d為阻尼率R/wl；R為阻尼電阻。

由上式可知：中性點位移電壓U0隨脫諧度υ和阻尼率d的減少而增大。

（4）此次某站事件由于10kV 718線路出現單相接地，消弧裝置出現較高電壓（從消弧線圈自動調諧控制器查看達5.7kV），可控硅由于運行年限較長，在高壓下擊穿；而當接地恢復后，由于可控硅擊穿不能恢復，仍然在導通狀態，直接短接了阻尼電阻，相當于系統正常運行情況下阻尼電阻R退出，從而使阻尼率嚴重降低，造成中性點位移電壓U0偏高，對系統已經存在的中性點不平衡電壓起到了放大作用，按剩余自然阻尼率d=3%，υ=0計算，U0=30Ubd，可放大30倍，是造成10kV母線電壓嚴重不平衡的主要原因。當更換可控硅后，將阻尼電阻R重新投入運行，能有效地抑制中性點位移電壓，保證系統三相電壓的平衡。

2 結束語

（1）#2消弧裝置阻尼電阻并接的可控硅導通損壞，造成系統無故障正常情況下阻尼電阻退出，母線不平衡電壓偏大，在外部條件激發的情況下，出現諧振。

（2）10kV電壓出現諧振、不平衡，從多次檢查分析情況來看，線路、母線PT等一次設備未發現缺陷，故障機率很小，基本都是由于消弧線圈內部元件故障導致，因此再次出現類似問題時，需快速定位故障點，提高故障排除的效率。

（3）母線三相電壓不平衡的原因有多種，必須首先對母線三相電壓不平衡值進行實際測量，結合實際故障現象，分析電壓不平衡的各種原因，用逐一排除法處理。

（4）不平衡電壓的產生，與10kV母線所帶的線路及負荷有關，線路長導致線路參數不平衡。建議部門通知區局，優化電網結構，增加電源布點，合理安排電網運行方式，減少長距離多級串聯供電，減少系統電容電流，從而減少母線電壓不平衡度，降低事故誘因。

參考文獻

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[2]上海思源電氣有限公司.消弧裝置使用及技術說明[J].電氣技術，2008（10）.

[3].基于磁通補償原理消弧線圈的研究[D].廣東工業大學，2009.

作者簡介

張峰（1972-），男，大學本科學歷。變電高級工程師、變電運行高級技師，從事變電運行管理、繼電保護研究及維護工作。

盧敏波（1979-），男，大學本科學歷。變電高級工程師、變電運行高級技師，從事變電運行管理研究及維護工作。

作者單位

廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東省佛山市 528200