李井陽 王大亮 李默 李淼

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小電流接地系統(tǒng)相電壓與監(jiān)控屏上相電壓不同分析

李井陽1 王大亮2 李默1 李淼1

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小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時，監(jiān)控屏上顯示的母線三相相電壓由對稱變成了嚴(yán)重不對稱。并由此產(chǎn)生一個疑問：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障期間，相電壓即使不對稱三相負(fù)載亦能正常運行，是因為相電壓對稱的原因？對此，本文利用電路中相電壓及中點位移的基本概念，根據(jù)電壓互感器和三相負(fù)載在系統(tǒng)中的接線和運行方式，分析這兩種相電壓不同的原因，從而對系統(tǒng)中這兩種相電壓有一個正確的認(rèn)識而不至于混淆。

電壓互感器；三相負(fù)載；對地電壓；兩種相電壓；中點位移

0 引言

小電流接地系統(tǒng)（簡稱“系統(tǒng)”）發(fā)生單相接地故障時，因為允許運行一段時間，這樣就會有一組不對稱相電壓較長時間存在，即監(jiān)控屏上顯示的三相相電壓。通過此三相相電壓及其零序分量，能夠正確地反映出系統(tǒng)單相接地故障及接地程度。但它并不能真正地反映系統(tǒng)中三相負(fù)載各相相電壓。由于監(jiān)控屏上顯示的母線各相相電壓即電壓互感器各相相電壓是簡寫的UA、UB、UC，所以容易與系統(tǒng)負(fù)載的三相相電壓相混淆，并會由此產(chǎn)生一個疑問：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障期間，相電壓即使不對稱三相負(fù)載亦能正常運行，是因為相電壓對稱的原因？

實際上，所有負(fù)載能否正常運行都直接取決于其相電壓。在線電壓對稱條件下，對于Δ接負(fù)載的相電壓就是線電壓；然而對于Y接負(fù)載，線電壓對稱只是其相電壓對稱的一個條件，其相電壓對稱的另一個條件是三相負(fù)載對稱或滿足一定的條件[1]。

在系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障期間，本文利用電壓互感器一次繞組中性點與大地之間隔離開關(guān)的分合狀態(tài)，分析兩種相電壓（即系統(tǒng)中一次設(shè)備三相負(fù)載的三相相電壓與監(jiān)控屏上顯示的三相相電壓）的不同。

1 接線形式分析

系統(tǒng)中所有設(shè)備首端都分別與各相母線相連接，所以所有設(shè)備同一相的首端都相當(dāng)于接在同一點上，但是系統(tǒng)中所有設(shè)備的末端并非如此。

由變電站變壓器低壓側(cè)供電的所有10kV系統(tǒng)、66kV系統(tǒng)，部分35kV系統(tǒng)，其一次設(shè)備中的電源側(cè)繞組（見圖1）是三角形接線；由變電站變壓器中壓側(cè)供電或由發(fā)電機(jī)直接供電的電源側(cè)繞組為Y形接線。但系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)繞組都是Y形接線[2]，且中性點都不直接接地。系統(tǒng)中母線上的電壓互感器，不論是三相五柱式，還是由三只單相電壓互感器組成的三相電壓互感器，其一次繞組的末端（即中性點）正常運行時都直接接地，即Y0接線形式?，F(xiàn)以圖1所示的10kV系統(tǒng)為例。在10kV母線上只畫出一回出線，在這回出線上也只畫出一臺配電變壓器。

圖1 10kV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 設(shè)備相電壓

根據(jù)定義，電壓為兩點之間的電位之差。相電壓定義為：每相電源或每相負(fù)載兩端的電壓[3]。對于三相設(shè)備（指三相電源或三相負(fù)載，下同）中每一相兩端的電壓，都簡稱為A、B、C（或a、b、c）相相電壓，其他電壓都需標(biāo)注兩個點才能確定，否則就容易與其混淆。

每相設(shè)備的相電壓都是各相設(shè)備首端對末端的電壓。小電流接地系統(tǒng)是指主變壓器的中性點和三相負(fù)載的中性點都不直接接地的系統(tǒng)，因此，小電流接地系統(tǒng)相電壓，就是三相設(shè)備中每相設(shè)備的首端對末端即首端對中性點（或Δ接電源的等值中性點）的電壓（一種相電壓）。而三相電壓互感器，其Y形接線的原繞組中性點直接接地，即Y0接線，所以，此時電壓互感器各相相電壓就是其首端對地的電壓（另一種相電壓）。其10kV系統(tǒng)主要負(fù)載是繞組為Y形接線、中性點不接地的配電變壓器高壓側(cè)。如圖1所示。

3 不同運行方式相電壓分析

3.1 系統(tǒng)正常運行時

系統(tǒng)正常運行時，由于負(fù)載不完全對稱，所以系統(tǒng)中性點（指Y形接線的中性點或Δ形接線的電源等效成Y形接線的中性點）對地電壓一般情況下不等于零，即系統(tǒng)中性點與電壓互感器中性點之間有位移。這說明儀表或監(jiān)控屏上顯示的電壓互感器測量出來的相電壓，只是電壓互感器本身和三相線路對地電容的三相相電壓，所以，這三相相電壓不能真實、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)中三相設(shè)備的各相相電壓，只是此時它們之間相差較少而已。

3.2 系統(tǒng)單相接地時

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障時，接地相對地電壓接近零（因為非全補償或者有負(fù)載電流，在接地相的整個線路上，只有接地點對地電壓為零），非接地兩相對地電壓接近線電壓，這三個電壓仍是母線上電壓互感器的三相相電壓，而不是三相設(shè)備的三相相電壓，否則三相設(shè)備無法繼續(xù)運行。此時三相負(fù)載各相相電壓的不對稱程度主要取決于負(fù)載的不對稱度、線路對地電容的不對稱電流以及系統(tǒng)消弧線圈補償?shù)惹闆r。

從圖1中配電變壓器高、低壓側(cè)實際運行情況可知，即使高壓側(cè)10kV系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時，低壓側(cè)380V/220V負(fù)載的三相相電壓也基本對稱，不影響系統(tǒng)及負(fù)載的正常運行，否則就失去了允許單相接地運行一段時間的意義。而配電變壓器一、二次繞組各相的相電壓之比又都等于變比，這說明一次繞組的三相相電壓也基本對稱。所以，此時系統(tǒng)中三相設(shè)備的三相相電壓與電壓互感器的三相相電壓完全不能等同，而且相差懸殊。

3.3 兩種相電壓的轉(zhuǎn)換

有些10kV系統(tǒng)，其母線上所接電壓互感器一次繞組的中性點與大地之間接有一個隔離開關(guān)，如圖1或圖2所示，正常運行時在合位。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地期間，其三相相電壓值如前所敘述。

為了減少電壓互感器承受線電壓的時間過長造成磁路鐵心過熱、甚至燒毀電壓互感器，在單相接地期間，配網(wǎng)調(diào)度需要指揮現(xiàn)場拉開中性點隔離開關(guān)（即零相刀閘），拉開后，監(jiān)控屏上顯示的三相相電壓即電壓互感器的三相相電壓不再是3.2節(jié)的值，而是變成了基本對稱的一組三相相電壓，這時它們的零序分量也變得很小，所以接地報警聲音也同時消失。即，若電壓互感器一次繞組中性點不直接接地，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，就不會有接地信號發(fā)出。此時電壓互感器Y,y0 接線的一、二次繞組的運行方式，與配電變壓器相似，即二次繞組和其負(fù)載的三相相電壓不會因為中性點不接地的一次繞組所在的電氣系統(tǒng)是否有單相接地而受到較大的影響。

由此可以得出，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障且保持不變這個期間，系統(tǒng)中的三相負(fù)載相電壓也不會變化，但監(jiān)控屏上的三相相電壓卻因電壓互感器一次側(cè)中性點隔離開關(guān)的狀態(tài)不同而發(fā)生了非常大的變化。所以系統(tǒng)中一次設(shè)備三相負(fù)載的相電壓與電壓互感器的三相相電壓不同。

從接線形式和運行方式能夠看出，雖然只分析了小電流接地系統(tǒng)正常運行時和單相接地時兩種情況下兩種相電壓不等的原因，同理還能得出結(jié)論：除了正常運行時兩種相電壓相差很小以外，其他情況，包括電壓互感器發(fā)生諧振時，這兩種相電壓都會相差很多。所以小電流接地系統(tǒng)母線上電壓互感器的三相相電壓及其零序分量，能夠正確地反映出系統(tǒng)單相接地故障及接地程度，而不能代表系統(tǒng)中三相電源和負(fù)載的各相相電壓。所以只能用于絕緣監(jiān)察（接地或諧振等）。

4 中點位移

圖2為圖1中與10kV系統(tǒng)有電氣直接連接設(shè)備的簡圖。為了分析需要，將電源側(cè)繞組畫成Y形接線（或Δ接電源等效變換成Y接電源，下同）。

圖2 10kV系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡(luò)連接圖

根據(jù)電路中的定義：負(fù)載中點n與電源中點N電位不等的現(xiàn)象稱為中點位移[3]。當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時，如圖2所示，不論系統(tǒng)有無消弧線圈補償以及補償度如何，Y形接線的負(fù)載（或電源）中性點對地電壓（位移）都會接近100%相電壓。但中點位移UnN卻不會很大（當(dāng)然與消弧線圈補償位置及補償度有關(guān)），都小于調(diào)度規(guī)程規(guī)定的相電壓15%的要求。所以，調(diào)度規(guī)程中所說的中點位移不是指系統(tǒng)中性點對地電壓，而是指Y接負(fù)載中性點與Y接電源中性點之間的電壓，因為只有這兩個中性點之間電壓的大小才能說明負(fù)載的相電壓是否對稱，而負(fù)載（或電源）中性點對地電壓（位移）無法決定三相負(fù)載相電壓是否對稱。

5 結(jié)束語

通過本文對10kV系統(tǒng)的分析可知，由于電壓互感器一次繞組的中性點一直直接接地，所以，對中性點不直接接地的所有小電流接地系統(tǒng)，監(jiān)控屏上顯示的三相相電壓只是電壓互感器的三相相電壓，而不是系統(tǒng)中一次設(shè)備的三相相電壓，只有在系統(tǒng)正常運行且三相負(fù)載對稱時，這兩組三相相電壓才相等，除此之外的任何時刻都不相等。

由于小電流接地系統(tǒng)三相負(fù)載基本都是星接，所以在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，監(jiān)控屏上顯示的三相相電壓之間相差懸殊，而三相負(fù)載能夠正常運行的主要原因仍然是三相負(fù)載的相電壓接近對稱。

[1]李井陽.三相三線制星接不對稱負(fù)載與其對稱相電壓關(guān)系研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2014, 34(5)：17-19.

[2]李井陽,賈建夫,李鴻博.小電流接地系統(tǒng)單相接地時分析系統(tǒng)新觀點[J].中國電力教育,2013（20）：217-218.

[3]江緝光.電路原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1996：428-443.

2015-10-08）