35kV線路電容式電壓互感器引起的母線電壓不平衡問題研究

李明

（湖北聯網電力設計有限公司，湖北 武漢 430000）

電力系統三相電壓平衡狀況是電能質量的主要指標之一，三相負荷不平衡以及系統元件三相參數不對稱都會引起電力系統三相不平衡。如果電壓出現了不平衡的現象，其不對稱性直接導致影響電力系統運行的穩定性及安全性。因此，對電壓不平衡的原因進行分析，是保證電力系統運行高效性和安全性的重要途徑。

在35kV非直接接地系統中，經常出現三相電壓不平衡現象，其產生的原因多種多樣，如不及時查出原因，可能使設備受到嚴重威脅，甚至擴大事故。本文主要對線路側安裝電容式電壓互感器產所引起的35kV母線電壓不平衡現象進行原因分析，發現35kV非直接接地系統中，發生電壓不平衡共同特征是35kV線路短，負載輕，在線路側設有電容式電壓互感器。結合實際工程情況進行分析計算，并根據分析結果，對設備選型及應對方案提出合理的建議。

1 工程概況

兩河35kV新建變電站，該工程參考《國家電網公司35kV智能變電站模塊化建設通用設計》35-C-1方案進行設計。35kV采用戶外AIS配電裝置，35kV至舊司出線間隔線路側A相配置一臺單相電容式電壓互感器。

2 存在的問題

根據GB/T 15543-2008《電能質量 三相電壓不平衡》中4.1條：“電力系統公共連接點不平衡度限值為：電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%。”

根據DL5222-2016《導體和電器選擇設計技術規定》中18.1.7條：“中性點經消弧線圈接地的電網，在正常情況下，長時間中性點位移電壓不超過額定相電壓的15%，脫諧度一般不大于10%（絕對值）”。

對舊司-兩河35kV純線路送電時（舊司變35kV約有6km其他線路在運行，兩河變35kV母線和主變均未投入），出現舊司變35kV母線電壓A相降低（約1400V），B、C相升高（約700V）。通過結果來看，三相電壓不平衡度不滿足電能質量要求，但本工程是35kV中性點經消弧線圈接地的電網，滿足導體和電器選擇設計技術規定，電網可以安全運行。

3 問題分析

3.1 原因分析

在以往工程中，35kV線路側電壓互感器常規配置為電磁式電壓互感器。根據《國家電網有限公司35～750kV輸變電工程通用設計、通用設備應用目錄（2019年版）》中，35kV電壓互感器通用設備中，剔除了電磁式電壓互感器，僅保留電容式電壓互感器，故本工程選用單相式電容式電壓互感器。本工程中引起母線電壓不平衡的可能原因有以下幾種：（1）即當長距離空載線路，線路對地容抗大于線路感抗時，就會發生線路末端電壓升高的現象。實際上，系統中電源容量是有限的，當發生電容效應時，線路的電容電流流過電源上的電感也會造成電壓升高，從而引起電壓不平衡。（2）電網正常運行時，由于線路的三相對地電容不平衡，即線路換位不完善，線路的三相阻抗不對稱，從而導致電網中性點與地之間存在一定電壓，其電壓值的大小直接與電容的不平衡度有關。（3）電壓互感器設備本身的故障因素。（4）三相PT不對稱引起的電壓不平衡。線路PT非全相運行時也會造成電壓不平衡，一相或兩相PT的接入會導致系統三相對地電容的不平衡，從而引起電壓不平衡。

3.2 故障排查

（1）本工程線路雖然為空載送電，也未進行線路換相設計。但線路長度僅為15km，與其他線路疊加總長為21km，未達到長距離送電線路標準（一般為大于100km），故不存在第一種和第二種因素。

（2）對線路電壓互感器進行電氣試驗，數據如表1。

表1

根據上述試驗數據，我們可以排除電容式電壓互感器的故障第三種因素。

（3）經排查，舊司變35kV母線三相PT運行正常。

經過試驗，當退出35kV線路側A相CVT后，重新投入35kV線路時，舊司變35kV母線電壓恢復正常。可以確定是第四種因素導致，即單相電容式電壓互感器的接入，引起各相對地電容的不平衡所致。

3.3 計算論證

35kV系統為中性點非直接接地系統，發生電壓不平衡現象共同特征是35kV系統輕載，本工程在線路側A相安裝一臺電容式電壓互感器，相當于在A相多并聯了一個電容量，等效電路示意圖1。

圖1

線路愈長電容量愈大，線路愈長容抗愈?。╔c=wc/1），即以1km線路而言，其每相對地電容約 0.004μF。

在忽略線路及設備對地電導時，可得中性點對地位移電壓計算公式如下：

式中：UX為系統相電壓值，相因子?=ej1200。由上式可知如果Ca=Cb=Cc時，分子等于0，即忽略線路對地電導時，在系統三相線路對地電容相等情況下，系統電壓偏移為零。

在線路空載時，不考慮其他線路的投入工況下：

本工程線路長度15km，即每相電容量為0.06μF；C相電容式電壓互感器電容量為0.02μF，式中用Cx表示。

在線路空載時，考慮其他線路的投入工況下：

本工程線路長度15km，其他線路長度按照6km考慮，即每相電容量為0.084μF；C相電容式電壓互感器電容量為0.02μF，式中Cx表示。

該理論計算值與現場實際測量電壓偏差值1400V基本吻合。

（3）在線路空載時，需要多長線路能夠滿足電壓不平衡偏離值＜2%的電能質量：

經過計算：按純架空線路至少需要架空線路長度84.25km；按純電纜線路（按截面240mm2，每相電容0.1805μF/km）計算至少需要電纜線路長度1.867km。

4 結語

線路輕載時，由于35kV電源容量小，因電容式電壓互感器引起的電容量占比大，根據電容量等效計算，相當于A相較B、C相線路長度長5km。隨著線路負荷的增長或者線路長度的加長（考慮線路對地電容相同），電壓不平衡會逐步減小。結合根據以上推理結果，選擇35kV電容式電壓互感器對于初期線路短，負載輕的系統，電壓偏移較為明顯，雖然不滿足電能質量要求，但可以滿足電網安全運行要求。鑒于恩施地區因小水電或者風電較多，有線路檢同期和檢無壓的特殊需求，在今后工程中會經常需要新增35kV線路電壓互感器。在對電能質量要求高的地區，對后期工程的建議：（1）35kV電壓互感器在設計選型中，優先選用電磁式電壓互感器。（2）在有貿易關口點做計量考核時，出線35kV電壓互感器可裝設三相電容式，使A、B、C三相電容量保持平衡，電壓不平衡偏離值可以滿足要求。