王新瑞，毛俊杰，陳 磊

（國網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

0 引言

目前，小電流接地系統(tǒng)主要是采用中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地兩種方式運行。其最大的優(yōu)點是供電可靠性較高，但應(yīng)關(guān)注由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、故障等原因造成的三相電壓不平衡等問題。

1 系統(tǒng)三相電壓不平衡規(guī)定

GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中規(guī)定，電壓不平衡是指三相電壓在幅值上不同或相位差不是120°，或兼而有之。用電壓負(fù)序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示。電壓的負(fù)序不平衡度和零序不平衡度分別用εu2、εu0表示。電力系統(tǒng)公共連接點電壓不平衡度限值如下[1]。

a）電網(wǎng)正常運行時，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%。

b）接于公共連接點的每個用戶引起該點負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。根據(jù)連接點的負(fù)荷狀況以及鄰近發(fā)電機(jī)、繼電保護(hù)和自動裝置安全運行要求，該允許值可適當(dāng)變動，但必須滿足規(guī)定。

2 系統(tǒng)三相電壓不平衡因素分析

引起系統(tǒng)三相電壓不平衡的因素主要有正常性和事故性兩大類。正常性不平衡一般是由于三相元件、負(fù)荷不對稱或線路參數(shù)不對稱引起[2-4]。由于系統(tǒng)故障引起的電壓不平衡屬于事故性不平衡，應(yīng)盡快處置，減少對系統(tǒng)的影響。

2.1 三相電壓正常性不平衡

小電流接地系統(tǒng)等效電路如圖1所示。圖1中，Ca、Cb、Cc分別代表三相對地電容，L代表消弧線圈的等效電感，r0代表消弧線圈有功損耗的等效電阻，設(shè)三相電源電壓幅值完全相等，Ea=Eb=Ec=Ux，系統(tǒng)三相對地泄漏電阻均相等，即ra=rb=rc=r，系統(tǒng)三相電流分別為Ia、Ib、Ic，中性點N點電壓為Uun。

圖1 小電流接地系統(tǒng)等效電路圖

刀閘K斷開時為中性點不接地系統(tǒng)等效電路。若在忽略三相線路對地泄漏電阻ra、rb、rc及消弧線圈等效電阻r0的情況下，可列方程為

其中，Ux為相電壓幅值。

理想狀況下，三相線路參數(shù)及元件、負(fù)荷對稱，Ca=Cb=Cc，則中性點電壓Uun幅值為0。實際運行中，配電網(wǎng)為電纜或架空線混合出線、各線路長短不同且分支多，系統(tǒng)三相對地電容不完全相等，造成中性點電壓Uun不為0，則三相電壓不平衡；另外，配電網(wǎng)中單相負(fù)載的不同時性，如單相電加熱爐、居民用電等，也會造成三相不平衡。正常性不平衡應(yīng)在規(guī)定范圍，否則將會影響系統(tǒng)的安全運行[5]。

2.2 消弧線圈對中性點電壓偏移的影響

圖1中，刀閘K在合位時，為中性點經(jīng)消弧線圈接地的配網(wǎng)系統(tǒng)?？紤]電網(wǎng)三相對地電容不平衡Ca≠Cb≠Cc、三相對地泄漏電阻r及消弧線圈的等效阻抗r0時，系統(tǒng)的中性點電壓Uun為

經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，運行的消弧線圈放大了中性點偏移電壓。中性點偏移度與脫諧度關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2可看出：補償度越小，放大作用越強(qiáng)，當(dāng)ξ=0，即全補償時，放大倍數(shù)約為50倍，從而導(dǎo)致系統(tǒng)三相電壓不平衡。實際運行中，應(yīng)采用過補償形式，脫諧度不超過10%，且中性點偏移電壓應(yīng)不超過相電壓的15%。

圖2 中性點偏移度與脫諧度關(guān)系曲線

2.3 電壓互感器對三相電壓不平衡的影響

系統(tǒng)母線三相電壓的不平衡度在允許范圍內(nèi)，但由于電壓互感器本身的原因，如電磁式電壓互感器，所安裝的一次消諧器的伏安特性差異以及阻值差異等原因，其勵磁特性差異造成電壓互感器的三相繞組中勵磁電流基波分量和3次諧波分量不同，將在消諧器上產(chǎn)生電壓，導(dǎo)致中性點發(fā)生偏移，出現(xiàn)三相電壓不平衡的現(xiàn)象。另外，電壓互感器高壓、低壓保險熔斷，電壓互感器三相負(fù)載不對稱，接線錯誤，二次回路故障等原因，都可能導(dǎo)致母線電壓異常。其中，高壓、低壓保險熔斷較常見。

2.4 系統(tǒng)接地或斷線等故障引起的電壓不平衡

系統(tǒng)常見的單相直接接地、間歇性接地均能導(dǎo)致母線電壓異常，若故障相經(jīng)高阻接地，則故障相對地電壓降低，但不會為0；非故障相對地電壓升高，但不會達(dá)到線電壓。各種類型的接地將導(dǎo)致電壓互感器的二次開口三角繞組出現(xiàn)零序電壓，報接地信號。

系統(tǒng)發(fā)生斷線故障也會引起母線電壓異常：斷線相電壓和中性點電壓升高，非斷線相電壓降低，有時發(fā)出接地信號。

2.5 各種類型的諧振過電壓引起的電壓不平衡

配電網(wǎng)是由電容和電感元件構(gòu)成的系統(tǒng)，電容元件主要有線路對地電容、相間電容、并聯(lián)電容器等，電感元件主要有變壓器、消弧線圈、電抗器、互感器等。當(dāng)系統(tǒng)回路發(fā)生改變?nèi)绨l(fā)生故障或操作時，可能形成諧振回路，產(chǎn)生諧振過電壓，造成三相電壓不平衡。

配電網(wǎng)主要有消弧線圈與系統(tǒng)電容元件構(gòu)成的線性諧振、電磁式電壓互感器與系統(tǒng)電容元件構(gòu)成的鐵磁諧振。諧振過電壓主要有基頻諧振過電壓、高頻諧振過電壓、分頻諧振過電壓3種表現(xiàn)形式。第一，基頻諧振過電壓特點：一相下降、二相升高，類似于單相接地；兩相電壓降低，一相升高。第二，高頻諧振過電壓特點：三相電壓同時升高，幅值≤4倍相電壓。第三，分頻諧振過電壓特點：三相電壓幅值依相序輪流升高或同時升高，在1.2～1.4倍相電壓間低頻擺動。

a）消弧線圈電感與系統(tǒng)對地電容諧振對中性點電壓偏移的影響。經(jīng)消弧線圈接地的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著配網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、長電纜線路分支增多等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)對地電容不斷增大。在某些特殊情況下，如固定調(diào)匝式弧線圈額定容量不足，若系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，消弧線圈出現(xiàn)全補償情況，消弧線圈與對地電容可能發(fā)生基頻諧振和高頻諧振，造成三相電壓不平衡。

b）電壓互感器鐵磁諧振對三相電壓的影響。電壓互感器的非線性電感和電網(wǎng)對地電容特殊情況下會構(gòu)成諧振回路[6]。正常情況下，電壓互感器的勵磁電感XL遠(yuǎn)大于1/Xc，網(wǎng)絡(luò)呈容性阻抗，中性點位移電壓較小。若系統(tǒng)處于欠補償狀態(tài)，在設(shè)備故障、開關(guān)突然分合閘等系統(tǒng)擾動情況下，中性點位移產(chǎn)生較大的零序電壓，會造成鐵芯飽和，電磁式電壓互感器的非線性勵磁特性使勵磁電感會隨著勵磁電流變化，勵磁電感逐漸減小，當(dāng)XL=1/Xc時，系統(tǒng)可能發(fā)生鐵磁諧振，將造成母線電壓異常。若電壓互感器長時間處于過流和過壓狀況下運行，會造成保險熔斷或燒損。

綜合以上所述，母線電壓不平衡原因匯總情況如表1所示。

表1 母線電壓不平衡原因匯總表

3 母線電壓不平衡判斷流程與應(yīng)對措施

當(dāng)小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)母線電壓異常時，首先檢查相關(guān)場站電壓情況，若同時出現(xiàn)母線電壓異常情況，則排除電壓互感器問題，重點考慮母線電壓異常，根據(jù)其母線電壓不平衡表現(xiàn)形式，采取相應(yīng)的處置措施。判斷母線電壓不平衡流程如圖3所示。

圖3 判斷母線電壓不平衡流程圖

a）系統(tǒng)運行中由于接地、斷線故障原因引起母線電壓異常較為常見，快速選拉故障線路，能夠限制間歇性接地過電壓，減少系統(tǒng)的影響。

b）配電網(wǎng)中，若電纜線路占比較大，則系統(tǒng)三相對地電容基本平衡；若長距離架空線路占比較大，應(yīng)對線路進(jìn)行合理換位，以防止三相對地電容不平衡。另外，將目前人工調(diào)匝固定補償方式的消弧線圈改造為具備跟蹤電網(wǎng)電容電流自動調(diào)諧功能的補償系統(tǒng)，以解決因消弧線圈補償不當(dāng)造成的三相電壓不平衡。

c）合理配置配網(wǎng)系統(tǒng)消諧措施[7]，選用勵磁特性良好、鐵芯不易飽和的電磁式電壓互感器；一次消諧器應(yīng)伏安特性好、通流容量滿足實際要求；為了限制和消除勵磁電流中三次諧波的影響，可以在電壓互感器開口三角兩端安裝二次消諧裝置；一、二次消諧裝置配合使用，確保電壓互感器不參與諧振。

d）設(shè)備合理選型，針對變電站中存在電氣化鐵路、電弧爐等不對稱沖擊負(fù)荷的情況，可采用靜止無功發(fā)生器成套裝置調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)，消除系統(tǒng)高次諧波，穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓，平衡三相負(fù)荷。

4 結(jié)束語

目前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成母線電壓不平衡的因素多種多樣，異?，F(xiàn)象存在相似之處，迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行分析和判斷，有利于異常的快速處理，保證供電質(zhì)量和電網(wǎng)的安全運行。