基于10kV母线三相电压不平衡的分析

张峰++卢敏波

摘 要 通过对某变电站10kV母线三相电压不平衡现状，通过现场实际测量，多方面综合分析研究，最终确定电压不平衡的原因，并采用逐一排除法进行了处理，消除了隐患，保证了电网设备的安全。

【关键词】电压不平衡 研究 排查 消弧装置 消除隐患

广东佛山区域的10kV电网负荷的逐年增长，而且由于城市建设规范，10kV电缆在城市配网区域的应用日益增多，系统的电容电缆大幅增大，在10kV不接地系统发生单相接地故障时故障点产生间隙性电弧（图1），当电容电流过大造成接地点的电弧不能自行熄灭将产生弧光接地过电压，造成相当地电源增加。过电压导致设备绝缘损坏及造成多点接地短路，造成事故扩大。而目前应用最广泛的是变电站安装消弧线圈，通过消弧装置的电阻与故障时的电容电流抵消，使10kV接地时的弧光电流大大减少，减少了设备绝缘损坏造成的风险。

目前消弧线圈的运行方式分为：全补偿、过补偿及欠补偿三种方式，实际生产中过补偿是目前电容补充的技术要求。本站的消弧装置应用中性点并联的阻尼装置实现接地时的容性电流的补偿。

1 10kV母线三相电压不平衡原因状况及原因分析

1.1 当时的现状情况

1.1.1 事件发生前的运行方式

某站：该站为典型110kV双电源供电方式，站内110kV电源方式由110kV甲线（143）电源供110kV1M、2M母线负荷，110kV乙线（154）热备用状态，#1主变受电转供10kV1M母线运行，#2主变受电转供10kV2M母线运行，10kV母联500开关在热备用状态。10kV#1站用变（506）、#1消弧装置（507）、51PT运行10kV1M母线；10kV佳#2站用变（505）、#2消弧装置（508）、52PT运行于10kV2M母线。

1.1.2 事件简况

某站：3月4日17时10分巡检人员接监控通知10kV 2M母线PT C相电压偏低，监控后台10kV 2M母线接地动作（4秒后复归）；10kV丙线路718小电流接地动作（瞬时复归）监控机界面：10kV2M母线ABC三相电压分别为6.0kV/5.95kV/5.08kV。运行人员到站测量10kV 2M母线PT三相二次电压值分别为：A：65V、B：63V、C：51V、L：15V，10kV#2消弧装置控制器显示曾有接地现象，显示液晶屏显示2016年3月4日17：10：51至17：10：54 10kV 718线路中性点电压：57.28V；电容电流：57.81A；中性点电流：56.11A；残流：5.949A；脱谐度：10%。运行人员联系调度申请断开#2消弧装置508开关后，10kV 2M母线PT三相电压恢复正常。

1.1.3 处理经过

运行人员现场报调度人员，根据后台机显示10kV 2M母线电压A/B/C三相电压分别为异常电压值，SOE显示曾经发生过10kV 2M母线接地现象，且10kV消弧装置控制器有保护动作信息，对站内10kV 2M母线设备进行排查，外观检查一次设备没有异常现象，于是在10kV 2M母线PT柜二次端子排测量10kV2M母线二次电压： AN：65V BN：63V CN：51V LN：15V；综合上述现象初步判断10kV#2消弧装置内部存在异常故障。经联合生产厂家对#2消弧装置停电检查，#2消弧线圈本体及二次控制器存在故障，运维单位联合厂家技术人员到检查消弧线圈并试验，发现阻尼装置并联的两个可控硅中的一个损坏导通。更换损坏可控硅后，#2消弧装置复电，10kV2M母线电压恢复正常。

1.2 处理过程原因分析

造成10kV母线三相电压不平衡原因可能有如下几种：

（1）电网本身三相参数不对称造成。如架空线三相对地电容不对称，电源电压不对称以及电网谐波含量过大等。查看10kV 2M母线电压正常运行时的中性点不平衡电压约85V（一次值），数值稍大。原因是配网系统三相线路参数存在一定不平衡，但不会造成该故障。

（2）出线回路发生接地情况。线路发生单相接地时，故障相对地电压降低，非故障相对地电压升高，金属性接地时故障相降为0，非故障相升为线电压。根据本次故障现象，17：10时却是发生过线路单相接地情况，但是该线路接地故障只存在了4秒就消失了，之后系统就没有再出现接地信号，也可排除系统接地的原因。

（3）母线电压互感器一次或二次熔丝熔断或接触不良。母线电压互感器一相一次熔丝熔断表现为一相电压明显降低，其他两相电压基本维持不变；母线电压互感器一相二次熔丝熔断，表现为一相电压为零，另外两相电压正常。

本次故障時C相电压明显降低，A、B相电压明显升高，不符合熔断器熔断特征。

（4）10kV电力系统发生谐振。10kV消弧线圈为电感元件，消弧线圈内部有阻尼电阻，线路各相导线对地和导线间存在电容，这些元件可组成RLC震荡回路，在感抗XL和容抗XC相等的情况下，即脱谐度υ=（IC-IL）/IC=0，可发生谐振。谐振现象表现为三相电压波动，线电压基本维持不变。根据本次故障现象，结合以往经验也曾试过投入消弧线圈后导致母线电压不平衡情况，试退出消弧线圈，母线电压果然恢复正常。

1.3 故障深度详细分析

停电检查发现故障点是阻尼装置并联的两个可控硅中的一个损坏导通，联同厂家技术人员详细检查分析如下：

（1）首先10kV 2M母线所带配网在正常运行时，由于线路的三相对地电容不平衡，从而导致电网中性点与地之间存在一定电压，其电压值大小与电容的不平衡度有关，查看系统正常运行时数据，10kV 2M母线正常运行中性点不平衡电压有85V左右。根据规程规定，在正常情况下，中性点不平衡电压应不超过额定相电压的1.5%，而中性点不平衡电压有85V，为额定相电压1.4%，稍偏大。

（2）消弧装置一次接线图如图2所示。

（3）消弧线圈投入系统后，其等值零序电路如图2。消弧线圈的电抗、电阻与线路不平衡电容形成回路，回路中有零序电流I0流过，于是在消弧线圈两端产生电位差（如图3），该电位差就是通常所称的中性点位移电压U0，中性点位移电压U0可由下式计算：

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

式中：Ubd為电网中的不对称电压；

υ为消弧线圈的脱谐度υ=（IC-IL）/IC；

d为阻尼率R/wl；R为阻尼电阻。

由上式可知：中性点位移电压U0随脱谐度υ和阻尼率d的减少而增大。

（4）此次某站事件由于10kV 718线路出现单相接地，消弧装置出现较高电压（从消弧线圈自动调谐控制器查看达5.7kV），可控硅由于运行年限较长，在高压下击穿；而当接地恢复后，由于可控硅击穿不能恢复，仍然在导通状态，直接短接了阻尼电阻，相当于系统正常运行情况下阻尼电阻R退出，从而使阻尼率严重降低，造成中性点位移电压U0偏高，对系统已经存在的中性点不平衡电压起到了放大作用，按剩余自然阻尼率d=3%，υ=0计算，U0=30Ubd，可放大30倍，是造成10kV母线电压严重不平衡的主要原因。当更换可控硅后，将阻尼电阻R重新投入运行，能有效地抑制中性点位移电压，保证系统三相电压的平衡。

2 结束语

（1）#2消弧装置阻尼电阻并接的可控硅导通损坏，造成系统无故障正常情况下阻尼电阻退出，母线不平衡电压偏大，在外部条件激发的情况下，出现谐振。

（2）10kV电压出现谐振、不平衡，从多次检查分析情况来看，线路、母线PT等一次设备未发现缺陷，故障机率很小，基本都是由于消弧线圈内部元件故障导致，因此再次出现类似问题时，需快速定位故障点，提高故障排除的效率。

（3）母线三相电压不平衡的原因有多种，必须首先对母线三相电压不平衡值进行实际测量，结合实际故障现象，分析电压不平衡的各种原因，用逐一排除法处理。

（4）不平衡电压的产生，与10kV母线所带的线路及负荷有关，线路长导致线路参数不平衡。建议部门通知区局，优化电网结构，增加电源布点，合理安排电网运行方式，减少长距离多级串联供电，减少系统电容电流，从而减少母线电压不平衡度，降低事故诱因。

参考文献

[1]金辉等.浅谈两种消弧装置[J].工业技术，科技创新与应用，2013（32）.

[2]上海思源电气有限公司.消弧装置使用及技术说明[J].电气技术，2008（10）.

[3].基于磁通补偿原理消弧线圈的研究[D].广东工业大学，2009.

作者简介

张峰（1972-），男，大学本科学历。变电高级工程师、变电运行高级技师，从事变电运行管理、继电保护研究及维护工作。

卢敏波（1979-），男，大学本科学历。变电高级工程师、变电运行高级技师，从事变电运行管理研究及维护工作。

作者单位

广东电网有限责任公司佛山供电局 广东省佛山市 528200