線路電壓互感器引起的母線電壓不平衡分析

師亮云，趙曉晅

（榆林供電局，陜西榆林719000）

0 引言

三相電壓不平衡現(xiàn)象廣泛存在于我國電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中，并且還有加重的趨勢。變電站35 kV配電系統(tǒng)中性點一般為非直接接地系統(tǒng)，線路以短距離架空線為主[1-7]。文獻[8]主要研究了由于35 kV系統(tǒng)架空線路排列不對稱引起中相電容偏低造成的中性點位移電壓；文獻[9]等還研究了不對稱負荷等引起電壓不平衡的處理方法；文獻[10]等主要研究了由于電壓互感器鐵芯飽和引起的鐵磁諧振造成的電壓不平衡；本文主要是對現(xiàn)場的實際運行情況引起的電壓不平衡新現(xiàn)象進行的分析。在實際運行中，發(fā)現(xiàn)有些110 kV變電站的35 kV配電系統(tǒng)出現(xiàn)不明原因的母線電壓不平衡現(xiàn)象，35 kV系統(tǒng)為中性點非直接接地系統(tǒng)，發(fā)生電壓不平衡現(xiàn)象的共同特征是35 kV系統(tǒng)輕載，并在線路側設置有單相線路電壓互感器。

本文主要從電壓互感器的不對稱接入以及線路空載時的電容效應兩方面出發(fā)進行了計算分析，并根據(jù)分析結果給出了解決方案。

1 電壓不平衡分析

1.1 引起系統(tǒng)母線電壓不平衡的原因

1）電容效應引起的電壓不平衡，即當線路輕載時，由于線路的容抗大于感抗造成的線路末端電壓高于始端的現(xiàn)象。實際上，系統(tǒng)中電源容量是有限的，即Xs＞0，當發(fā)生電容效應時，線路的電容電流流過電源上的電感也會造成電壓升高，從而引起電壓不平衡。顯然，電源容量越小，電容效應越嚴重[11]。

2）三相PT不對稱引起的電壓不平衡。三相PT對稱但線性度不好，從而引起電壓不平衡。此時的對地電容范圍、過電壓和過電流要比線性度一致時大的多，可見線性度的提高對抑制電壓不平衡的作用還是很明顯；線路PT非全相運行時也會造成電壓不平衡，一相或兩相PT的接入會導致系統(tǒng)三相對地電容的不平衡，從而引起電壓不平衡[10,12-13]。

1.2 實例分析

首先對現(xiàn)場進行檢查，發(fā)現(xiàn)母線電壓互感器一、二次熔絲都完好，線路未發(fā)生接地，35 kV系統(tǒng)也沒有諧振現(xiàn)象，負荷也基本平衡。斷開線路發(fā)現(xiàn)母線電壓平衡，投入線路電壓不平衡又出現(xiàn)，斷開線路單相電壓互感器后，投入線路，母線電壓平衡。由此最終可確定線路電容式電壓互感器是引起母線電壓不平衡的主要原因。

對線路電壓互感器進行電氣試驗，試驗數(shù)據(jù)與出廠基本一致，具體數(shù)據(jù)下。

絕緣電阻：100 000 MΩ

介 損：1.06%

電容Cx：10.12 μF

電容量偏差：2.51%

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)我們可以排除電壓互感器的故障因素，由此可以得出出現(xiàn)電壓不平衡的主要原因即為單相電壓互感器的接入引起各相對地電容的不平衡所致。

2 分布電容不均導致電壓不平衡

2.1 計算分析

在中性點絕緣的電力系統(tǒng)中，由于各相對地電容不相等（因線路排列方式造成），引起了中性點對地的位移電壓[8]。中性點絕緣的等效電路如圖1所示。

圖1 中性點絕緣等效電路

有下列計算

式中，UX為相電壓值，UP0為中性點對地位移電壓。

由上式可知，當Ca＋Cb＋Cc=C0時，則上式分子z=（1+?2+?）C0=0。所以UP0＝0。由此可知，在中性點絕緣的電力系統(tǒng)中，三相不平衡相電壓可由三相對地不平衡電容引起。對6～10 kV系統(tǒng)來說電纜線路占的比例較大，三相對地電容基本平衡，中性點位移電壓較低。而對35 kV系統(tǒng)來說，如果架空線路占總線路長度的比例比較大并且線路沒有合理換位，Ca、Cb、Cc的值也就相差比較大。有下列式子

式中，U0為網(wǎng)絡的不對稱度，其值就比較大。

2.2 本實例電壓不平衡計算

由于本實例中不考慮其他引起電壓不平衡的因素，即假設負荷等各種因素都平衡。僅考慮線路電壓互感器的接入對電壓不平衡的影響。等效電路及取值如下，圖中L為母線電壓互感器電感，C為線路電壓互感器電容量，CL為線路對地電容。

圖2 35 kV系統(tǒng)等效電路圖

35 kV母線電壓互感器阻抗為Zm=2 000 kΩ，線路電壓互感器電容量C=0.01μF，假設架空線路單相對地電容為0.06μF（約15 km），忽略線路負荷影響，YA＝2.1×10－8(S)，YB＝YC＝1.8×10－8(S)，代入網(wǎng)絡不對稱度公式計算

可見電壓不平衡度存在（正常時等于零）。

針對線路輕載時電壓不平衡大，隨著線路負荷的增長電壓不平衡又逐漸減小?？勺鋈缦吕斫猓壕€路輕載時，由于35 kV電源容量本身較小，靠近母線的電容式電壓互感器所引起的電容效應比較明顯，引起電壓不平衡。隨著負荷的增長電容效應隨之消失，各相對地電容的不平衡成為引起母線電壓不平衡的主要原因[11]。

本次分析與一般負荷不平衡、單相接地及電壓互感器引起的鐵磁諧振導致的電壓不平衡不同，為線路電容式電壓互感器的接入引起線路對地電容的不平衡所引起。

3 解決方案

本次電壓不平衡主要是由于單相電容式電壓互感器的接入引起線路對地電容的不平衡以及線路輕載時的電容效應所引起。可以從以下兩方面考慮加以改進。

3.1 采用分相電容補償

針對電壓互感器的接入引起的線路對地電容不平衡可以通過增加分相電容的方式予以補償[8]。即當母線電壓出現(xiàn)不平衡時通過調(diào)節(jié)各相對地電容值使其補充單相電壓互感器接入所引起的不平衡電壓，通過對對地電容合適的取值，進而達到電壓平衡的目的。例如通過調(diào)節(jié)分相電容值可取Ca=0.06μF保持不變，增大B、C兩相對地電容值，可取Cb=Cc=0.065 μF，重新計算不對稱度可得U0＝0.025，電壓不平衡明顯降低。

3.2 采用并聯(lián)電抗器補償

對于線路輕載時的電容效應可以采用并聯(lián)電抗器來予以補償[11]。

圖3 線路末端接有并聯(lián)電抗器

如圖3，有

式中，K12為電壓傳遞系數(shù)；θ＝arctan(Z/XP)；Z為線路波阻抗；α′為相位系數(shù)，對于輸電線路，通常α′≈0.06°/km；l為線路的長度，km。

在線路末端接入電抗器，相當于減小了線路長度，因而降低了電壓傳遞系數(shù)。當線路末端的并聯(lián)電抗器接入后，由首端看進去的入端阻抗將增大，在欠補償時，入端阻抗仍呈容抗性質。因此在同樣的首端電壓下，電容電流減小，流過電源阻抗Xs的電壓下降，從而降低了首端電壓，減小線路輕載時的電壓不平衡。但此方法的使用還涉及到系統(tǒng)無功平衡、自激過電壓及非全相狀態(tài)下的諧振問題。因此電抗器的補償及安裝位置必須綜合考慮實際系統(tǒng)的各種情況，最終確定合理的方案。

4 結語

本文分析了常見母線電壓不平衡產(chǎn)生的原因及結果。重點說明了35 kV系統(tǒng)單相線路電壓互感器接入所引起的母線電壓不平衡，并且計算了其不平衡度。最后針對具體情況提出了采用分相電容及線路并聯(lián)電抗器的方法予以補償，取得了較為滿意的結果。

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