电流接地系统电压不平衡分析及对策

王新瑞，毛俊杰，陈 磊

（国网晋城供电公司，山西 晋城 048000）

0 引言

目前，小电流接地系统主要是采用中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种方式运行。其最大的优点是供电可靠性较高，但应关注由于系统内设备、故障等原因造成的三相电压不平衡等问题。

1 系统三相电压不平衡规定

GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》中规定，电压不平衡是指三相电压在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之。用电压负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。电压的负序不平衡度和零序不平衡度分别用εu2、εu0表示。电力系统公共连接点电压不平衡度限值如下[1]。

a）电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。

b）接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。根据连接点的负荷状况以及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可适当变动，但必须满足规定。

2 系统三相电压不平衡因素分析

引起系统三相电压不平衡的因素主要有正常性和事故性两大类。正常性不平衡一般是由于三相元件、负荷不对称或线路参数不对称引起[2-4]。由于系统故障引起的电压不平衡属于事故性不平衡，应尽快处置，减少对系统的影响。

2.1 三相电压正常性不平衡

小电流接地系统等效电路如图1所示。图1中，Ca、Cb、Cc分别代表三相对地电容，L代表消弧线圈的等效电感，r0代表消弧线圈有功损耗的等效电阻，设三相电源电压幅值完全相等，Ea=Eb=Ec=Ux，系统三相对地泄漏电阻均相等，即ra=rb=rc=r，系统三相电流分别为Ia、Ib、Ic，中性点N点电压为Uun。

图1 小电流接地系统等效电路图

刀闸K断开时为中性点不接地系统等效电路。若在忽略三相线路对地泄漏电阻ra、rb、rc及消弧线圈等效电阻r0的情况下，可列方程为

其中，Ux为相电压幅值。

理想状况下，三相线路参数及元件、负荷对称，Ca=Cb=Cc，则中性点电压Uun幅值为0。实际运行中，配电网为电缆或架空线混合出线、各线路长短不同且分支多，系统三相对地电容不完全相等，造成中性点电压Uun不为0，则三相电压不平衡；另外，配电网中单相负载的不同时性，如单相电加热炉、居民用电等，也会造成三相不平衡。正常性不平衡应在规定范围，否则将会影响系统的安全运行[5]。

2.2 消弧线圈对中性点电压偏移的影响

图1中，刀闸K在合位时，为中性点经消弧线圈接地的配网系统。考虑电网三相对地电容不平衡Ca≠Cb≠Cc、三相对地泄漏电阻r及消弧线圈的等效阻抗r0时，系统的中性点电压Uun为

经消弧线圈接地的系统中，运行的消弧线圈放大了中性点偏移电压。中性点偏移度与脱谐度关系曲线如图2所示。从图2可看出：补偿度越小，放大作用越强，当ξ=0，即全补偿时，放大倍数约为50倍，从而导致系统三相电压不平衡。实际运行中，应采用过补偿形式，脱谐度不超过10%，且中性点偏移电压应不超过相电压的15%。

图2 中性点偏移度与脱谐度关系曲线

2.3 电压互感器对三相电压不平衡的影响

系统母线三相电压的不平衡度在允许范围内，但由于电压互感器本身的原因，如电磁式电压互感器，所安装的一次消谐器的伏安特性差异以及阻值差异等原因，其励磁特性差异造成电压互感器的三相绕组中励磁电流基波分量和3次谐波分量不同，将在消谐器上产生电压，导致中性点发生偏移，出现三相电压不平衡的现象。另外，电压互感器高压、低压保险熔断，电压互感器三相负载不对称，接线错误，二次回路故障等原因，都可能导致母线电压异常。其中，高压、低压保险熔断较常见。

2.4 系统接地或断线等故障引起的电压不平衡

系统常见的单相直接接地、间歇性接地均能导致母线电压异常，若故障相经高阻接地，则故障相对地电压降低，但不会为0；非故障相对地电压升高，但不会达到线电压。各种类型的接地将导致电压互感器的二次开口三角绕组出现零序电压，报接地信号。

系统发生断线故障也会引起母线电压异常：断线相电压和中性点电压升高，非断线相电压降低，有时发出接地信号。

2.5 各种类型的谐振过电压引起的电压不平衡

配电网是由电容和电感元件构成的系统，电容元件主要有线路对地电容、相间电容、并联电容器等，电感元件主要有变压器、消弧线圈、电抗器、互感器等。当系统回路发生改变如发生故障或操作时，可能形成谐振回路，产生谐振过电压，造成三相电压不平衡。

配电网主要有消弧线圈与系统电容元件构成的线性谐振、电磁式电压互感器与系统电容元件构成的铁磁谐振。谐振过电压主要有基频谐振过电压、高频谐振过电压、分频谐振过电压3种表现形式。第一，基频谐振过电压特点：一相下降、二相升高，类似于单相接地；两相电压降低，一相升高。第二，高频谐振过电压特点：三相电压同时升高，幅值≤4倍相电压。第三，分频谐振过电压特点：三相电压幅值依相序轮流升高或同时升高，在1.2～1.4倍相电压间低频摆动。

a）消弧线圈电感与系统对地电容谐振对中性点电压偏移的影响。经消弧线圈接地的配电网系统中，随着配网规模的不断扩大、长电缆线路分支增多等原因，导致系统对地电容不断增大。在某些特殊情况下，如固定调匝式弧线圈额定容量不足，若系统发生接地故障时，消弧线圈出现全补偿情况，消弧线圈与对地电容可能发生基频谐振和高频谐振，造成三相电压不平衡。

b）电压互感器铁磁谐振对三相电压的影响。电压互感器的非线性电感和电网对地电容特殊情况下会构成谐振回路[6]。正常情况下，电压互感器的励磁电感XL远大于1/Xc，网络呈容性阻抗，中性点位移电压较小。若系统处于欠补偿状态，在设备故障、开关突然分合闸等系统扰动情况下，中性点位移产生较大的零序电压，会造成铁芯饱和，电磁式电压互感器的非线性励磁特性使励磁电感会随着励磁电流变化，励磁电感逐渐减小，当XL=1/Xc时，系统可能发生铁磁谐振，将造成母线电压异常。若电压互感器长时间处于过流和过压状况下运行，会造成保险熔断或烧损。

综合以上所述，母线电压不平衡原因汇总情况如表1所示。

表1 母线电压不平衡原因汇总表

3 母线电压不平衡判断流程与应对措施

当小电流接地系统出现母线电压异常时，首先检查相关场站电压情况，若同时出现母线电压异常情况，则排除电压互感器问题，重点考虑母线电压异常，根据其母线电压不平衡表现形式，采取相应的处置措施。判断母线电压不平衡流程如图3所示。

图3 判断母线电压不平衡流程图

a）系统运行中由于接地、断线故障原因引起母线电压异常较为常见，快速选拉故障线路，能够限制间歇性接地过电压，减少系统的影响。

b）配电网中，若电缆线路占比较大，则系统三相对地电容基本平衡；若长距离架空线路占比较大，应对线路进行合理换位，以防止三相对地电容不平衡。另外，将目前人工调匝固定补偿方式的消弧线圈改造为具备跟踪电网电容电流自动调谐功能的补偿系统，以解决因消弧线圈补偿不当造成的三相电压不平衡。

c）合理配置配网系统消谐措施[7]，选用励磁特性良好、铁芯不易饱和的电磁式电压互感器；一次消谐器应伏安特性好、通流容量满足实际要求；为了限制和消除励磁电流中三次谐波的影响，可以在电压互感器开口三角两端安装二次消谐装置；一、二次消谐装置配合使用，确保电压互感器不参与谐振。

d）设备合理选型，针对变电站中存在电气化铁路、电弧炉等不对称冲击负荷的情况，可采用静止无功发生器成套装置调节负荷功率因数，消除系统高次谐波，稳定和平衡系统电压，平衡三相负荷。

4 结束语

目前配电网结构复杂，造成母线电压不平衡的因素多种多样，异常现象存在相似之处，迅速准确地进行分析和判断，有利于异常的快速处理，保证供电质量和电网的安全运行。