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 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(shí)，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(gè)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(yùn)行，是因?yàn)橄嚯妷簩ΨQ的原因？對此，本文利用電路中相電壓及中點(diǎn)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(yùn)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(gè)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(diǎn)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(shí)，因?yàn)樵试S運(yùn)行一段時(shí)間，這樣就會有一組不對稱相電壓較長時(shí)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(gè)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(yùn)行，是因?yàn)橄嚯妷簩ΨQ的原因？

實(shí)際上，所有負(fù)載能否正常運(yùn)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(gè)條件，其相電壓對稱的另一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)）正常運(yùn)行時(shí)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(diǎn)和三相負(fù)載的中性點(diǎn)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(diǎn)（或Δ接電源的等值中性點(diǎn)）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(diǎn)直接接地，即Y0接線，所以，此時(shí)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(diǎn)不接地的配電變壓器高壓側(cè)。如圖1所示。

3 不同運(yùn)行方式相電壓分析

3.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)載不完全對稱，所以系統(tǒng)中性點(diǎn)（指Y形接線的中性點(diǎn)或Δ形接線的電源等效成Y形接線的中性點(diǎn)）對地電壓一般情況下不等于零，即系統(tǒng)中性點(diǎn)與電壓互感器中性點(diǎn)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(shí)、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(shí)它們之間相差較少而已。

3.2 系統(tǒng)單相接地時(shí)

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，接地相對地電壓接近零（因?yàn)榉侨a(bǔ)償或者有負(fù)載電流，在接地相的整個(gè)線路上，只有接地點(diǎn)對地電壓為零），非接地兩相對地電壓接近線電壓，這三個(gè)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(yùn)行。此時(shí)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(bǔ)償?shù)惹闆r。

從圖1中配電變壓器高、低壓側(cè)實(shí)際運(yùn)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(shí)，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(yùn)行，否則就失去了允許單相接地運(yùn)行一段時(shí)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(shí)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(diǎn)與大地之間接有一個(gè)隔離開關(guān)，如圖1或圖2所示，正常運(yùn)行時(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)它們的零序分量也變得很小，所以接地報(bào)警聲音也同時(shí)消失。即，若電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)不直接接地，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，就不會有接地信號發(fā)出。此時(shí)電壓互感器Y,y0 接線的一、二次繞組的運(yùn)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?yàn)橹行渣c(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(yùn)行方式能夠看出，雖然只分析了小電流接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)和單相接地時(shí)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(yùn)行時(shí)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)n與電源中點(diǎn)N電位不等的現(xiàn)象稱為中點(diǎn)位移[3]。當(dāng)小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，如圖2所示，不論系統(tǒng)有無消弧線圈補(bǔ)償以及補(bǔ)償度如何，Y形接線的負(fù)載（或電源）中性點(diǎn)對地電壓（位移）都會接近100%相電壓。但中點(diǎn)位移UnN卻不會很大（當(dāng)然與消弧線圈補(bǔ)償位置及補(bǔ)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(diǎn)位移不是指系統(tǒng)中性點(diǎn)對地電壓，而是指Y接負(fù)載中性點(diǎn)與Y接電源中性點(diǎn)之間的電壓，因?yàn)橹挥羞@兩個(gè)中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)一直直接接地，所以，對中性點(diǎn)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(yùn)行且三相負(fù)載對稱時(shí)，這兩組三相相電壓才相等，除此之外的任何時(shí)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(shí)，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(yùn)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(bào),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(shí)分析系統(tǒng)新觀點(diǎn)[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）