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(duì)某變電站10kV母線三相電壓不平衡現(xiàn)狀，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)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(jìn)行了處理，消除了隱患，保證了電網(wǎng)設(shè)備的安全。

【關(guān)鍵詞】電壓不平衡 研究 排查 消弧裝置 消除隱患

廣東佛山區(qū)域的10kV電網(wǎng)負(fù)荷的逐年增長(zhǎng)，而且由于城市建設(shè)規(guī)范，10kV電纜在城市配網(wǎng)區(qū)域的應(yīng)用日益增多，系統(tǒng)的電容電纜大幅增大，在10kV不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)故障點(diǎn)產(chǎn)生間隙性電?。▓D1），當(dāng)電容電流過大造成接地點(diǎn)的電弧不能自行熄滅將產(chǎn)生弧光接地過電壓，造成相當(dāng)?shù)仉娫丛黾?。過電壓導(dǎo)致設(shè)備絕緣損壞及造成多點(diǎn)接地短路，造成事故擴(kuò)大。而目前應(yīng)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(shí)的電容電流抵消，使10kV接地時(shí)的弧光電流大大減少，減少了設(shè)備絕緣損壞造成的風(fēng)險(xiǎn)。

目前消弧線圈的運(yùn)行方式分為：全補(bǔ)償、過補(bǔ)償及欠補(bǔ)償三種方式，實(shí)際生產(chǎn)中過補(bǔ)償是目前電容補(bǔ)充的技術(shù)要求。本站的消弧裝置應(yīng)用中性點(diǎn)并聯(lián)的阻尼裝置實(shí)現(xiàn)接地時(shí)的容性電流的補(bǔ)償。

1 10kV母線三相電壓不平衡原因狀況及原因分析

1.1 當(dāng)時(shí)的現(xiàn)狀情況

1.1.1 事件發(fā)生前的運(yùn)行方式

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

1.1.2 事件簡(jiǎn)況

某站：3月4日17時(shí)10分巡檢人員接監(jiān)控通知10kV 2M母線PT C相電壓偏低，監(jiān)控后臺(tái)10kV 2M母線接地動(dòng)作（4秒后復(fù)歸）；10kV丙線路718小電流接地動(dòng)作（瞬時(shí)復(fù)歸）監(jiān)控機(jī)界面：10kV2M母線ABC三相電壓分別為6.0kV/5.95kV/5.08kV。運(yùn)行人員到站測(cè)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(xiàn)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(diǎn)電壓：57.28V；電容電流：57.81A；中性點(diǎn)電流：56.11A；殘流：5.949A；脫諧度：10%。運(yùn)行人員聯(lián)系調(diào)度申請(qǐng)斷開#2消弧裝置508開關(guān)后，10kV 2M母線PT三相電壓恢復(fù)正常。

1.1.3 處理經(jīng)過

運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)報(bào)調(diào)度人員，根據(jù)后臺(tái)機(jī)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(jīng)發(fā)生過10kV 2M母線接地現(xiàn)象，且10kV消弧裝置控制器有保護(hù)動(dòng)作信息，對(duì)站內(nèi)10kV 2M母線設(shè)備進(jìn)行排查，外觀檢查一次設(shè)備沒有異常現(xiàn)象，于是在10kV 2M母線PT柜二次端子排測(cè)量10kV2M母線二次電壓： AN：65V BN：63V CN：51V LN：15V；綜合上述現(xiàn)象初步判斷10kV#2消弧裝置內(nèi)部存在異常故障。經(jīng)聯(lián)合生產(chǎn)廠家對(duì)#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(yùn)維單位聯(lián)合廠家技術(shù)人員到檢查消弧線圈并試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)阻尼裝置并聯(lián)的兩個(gè)可控硅中的一個(gè)損壞導(dǎo)通。更換損壞可控硅后，#2消弧裝置復(fù)電，10kV2M母線電壓恢復(fù)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(wǎng)本身三相參數(shù)不對(duì)稱造成。如架空線三相對(duì)地電容不對(duì)稱，電源電壓不對(duì)稱以及電網(wǎng)諧波含量過大等。查看10kV 2M母線電壓正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)不平衡電壓約85V（一次值），數(shù)值稍大。原因是配網(wǎng)系統(tǒng)三相線路參數(shù)存在一定不平衡，但不會(huì)造成該故障。

（2）出線回路發(fā)生接地情況。線路發(fā)生單相接地時(shí)，故障相對(duì)地電壓降低，非故障相對(duì)地電壓升高，金屬性接地時(shí)故障相降為0，非故障相升為線電壓。根據(jù)本次故障現(xiàn)象，17：10時(shí)卻是發(fā)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(tǒng)就沒有再出現(xiàn)接地信號(hào)，也可排除系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)為一相電壓為零，另外兩相電壓正常。

本次故障時(shí)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(tǒng)發(fā)生諧振。10kV消弧線圈為電感元件，消弧線圈內(nèi)部有阻尼電阻，線路各相導(dǎo)線對(duì)地和導(dǎo)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(fā)生諧振。諧振現(xiàn)象表現(xiàn)為三相電壓波動(dòng)，線電壓基本維持不變。根據(jù)本次故障現(xiàn)象，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)也曾試過投入消弧線圈后導(dǎo)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(fù)正常。

1.3 故障深度詳細(xì)分析

停電檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)是阻尼裝置并聯(lián)的兩個(gè)可控硅中的一個(gè)損壞導(dǎo)通，聯(lián)同廠家技術(shù)人員詳細(xì)檢查分析如下：

（1）首先10kV 2M母線所帶配網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，由于線路的三相對(duì)地電容不平衡，從而導(dǎo)致電網(wǎng)中性點(diǎn)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(guān)，查看系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，10kV 2M母線正常運(yùn)行中性點(diǎn)不平衡電壓有85V左右。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，在正常情況下，中性點(diǎn)不平衡電壓應(yīng)不超過額定相電壓的1.5%，而中性點(diǎn)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(tǒng)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(chǎn)生電位差（如圖3），該電位差就是通常所稱的中性點(diǎn)位移電壓U0，中性點(diǎn)位移電壓U0可由下式計(jì)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(wǎng)中的不對(duì)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(diǎn)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(xiàn)單相接地，消弧裝置出現(xiàn)較高電壓（從消弧線圈自動(dòng)調(diào)諧控制器查看達(dá)5.7kV），可控硅由于運(yùn)行年限較長(zhǎng)，在高壓下?lián)舸?；而?dāng)接地恢復(fù)后，由于可控硅擊穿不能恢復(fù)，仍然在導(dǎo)通狀態(tài)，直接短接了阻尼電阻，相當(dāng)于系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下阻尼電阻R退出，從而使阻尼率嚴(yán)重降低，造成中性點(diǎn)位移電壓U0偏高，對(duì)系統(tǒng)已經(jīng)存在的中性點(diǎn)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(jì)算，U0=30Ubd，可放大30倍，是造成10kV母線電壓嚴(yán)重不平衡的主要原因。當(dāng)更換可控硅后，將阻尼電阻R重新投入運(yùn)行，能有效地抑制中性點(diǎn)位移電壓，保證系統(tǒng)三相電壓的平衡。

2 結(jié)束語(yǔ)

（1）#2消弧裝置阻尼電阻并接的可控硅導(dǎo)通損壞，造成系統(tǒng)無(wú)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(fā)的情況下，出現(xiàn)諧振。

（2）10kV電壓出現(xiàn)諧振、不平衡，從多次檢查分析情況來(lái)看，線路、母線PT等一次設(shè)備未發(fā)現(xiàn)缺陷，故障機(jī)率很小，基本都是由于消弧線圈內(nèi)部元件故障導(dǎo)致，因此再次出現(xiàn)類似問題時(shí)，需快速定位故障點(diǎn)，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(duì)母線三相電壓不平衡值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，結(jié)合實(shí)際故障現(xiàn)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(chǎn)生，與10kV母線所帶的線路及負(fù)荷有關(guān)，線路長(zhǎng)導(dǎo)致線路參數(shù)不平衡。建議部門通知區(qū)局，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加電源布點(diǎn)，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，減少長(zhǎng)距離多級(jí)串聯(lián)供電，減少系統(tǒng)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(xiàn)

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[3].基于磁通補(bǔ)償原理消弧線圈的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2009.

作者簡(jiǎn)介

張峰（1972-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。變電高級(jí)工程師、變電運(yùn)行高級(jí)技師，從事變電運(yùn)行管理、繼電保護(hù)研究及維護(hù)工作。

盧敏波（1979-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。變電高級(jí)工程師、變電運(yùn)行高級(jí)技師，從事變電運(yùn)行管理研究及維護(hù)工作。

作者單位

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局 廣東省佛山市 528200