變電站66kV母線三相電壓不平衡研究

楊 林王 亮趙守忠李鳳羽王 凱

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121001；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司調(diào)度控制中心，沈陽 110006；3.國網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121000）

變電站66kV母線三相電壓不平衡研究

楊 林1王 亮2趙守忠1李鳳羽1王 凱3

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121001；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司調(diào)度控制中心，沈陽 110006；3.國網(wǎng)錦州供電公司，遼寧 錦州 121000）

66kV電網(wǎng)存在三相對地參數(shù)不對稱，造成母線三相電壓不平衡，中性點(diǎn)位移電壓偏高，虛幻接地，消弧線圈參數(shù)整定困難等問題。三相電壓不平衡會影響變壓器等設(shè)備的安全運(yùn)行和正常出力，引起繼電保護(hù)及安全自動裝置的誤動作，引起電網(wǎng)損耗的增加。本文從理論上分析消弧線圈對電壓不平衡加重的原因，提出通過采用降低電網(wǎng)的不對稱度、增大補(bǔ)償電網(wǎng)的脫諧度和提高補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率3種方法，降低電網(wǎng)三相電壓不平衡度，取得了良好的效果。

消弧線圈；三相電壓不平衡；電能質(zhì)量；電容電流；脫諧度

根據(jù)規(guī)程規(guī)定，66kV電網(wǎng)單相接地電流如果超過10A，需要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式[1]。東北電網(wǎng) 66kV系統(tǒng)，多數(shù)為架空線路電網(wǎng)，并且線路沒有合理的換位，單相接地電容電流達(dá)到幾十A、甚至100A以上，中性點(diǎn)位移電壓較大。消弧線圈投入后，引起中性點(diǎn)位移電壓增加，加重 66kV母線三相電壓不平衡，引起虛幻接地等問題。

電壓不平衡度是指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡程度，即電壓負(fù)序分量與正序分量的比值。GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》中規(guī)定：“在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%”[2-3]。

在一些三相電壓不平衡度超標(biāo)的電網(wǎng)中，調(diào)度員往往只能采用調(diào)整消弧線圈檔位的方法，減小電網(wǎng)三相電壓不平衡度。但僅采用該方法，會導(dǎo)致接地殘流和脫諧度超標(biāo)等問題。本文通過理論分析，確定66kV電網(wǎng)三相電壓不平衡問題的綜合解決方案。

1 三相電壓不平衡的原因

中性點(diǎn)不直接接地電網(wǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行人員經(jīng)常會遇見母線三相電壓不平衡的現(xiàn)象。如果認(rèn)識不足，往往導(dǎo)致誤判斷，延長查找故障時間，甚至引發(fā)事故。

正常性不平衡主要是由三相負(fù)載分配不平衡或線路三相對地參數(shù)不對稱引起，中性點(diǎn)消弧線圈也會引發(fā)并加重三相電壓不平衡。事故性不平衡是由于系統(tǒng)故障引起的，主要原因包括：單相接地、線路斷線[4]、非全相運(yùn)行、鐵磁諧振、電壓互感器高低壓熔斷器熔絲熔斷等。

2 三相電壓不平衡的危害

三相電壓不平衡是一個電能質(zhì)量問題，三相電壓的不平衡會給電力系統(tǒng)和用戶設(shè)備造成一系列危害，其中主要有：

1）引起變壓器、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)的附加損耗和振動，危及其安全運(yùn)行，影響正常出力[2]。

2）引起繼電保護(hù)及安全自動裝置的誤動作，對電網(wǎng)安全構(gòu)成極大威脅。

3）引起電網(wǎng)損耗的增加，不平衡度越大， 線損也越大。

4）引起系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓增大，不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5）在低壓電網(wǎng)中，因電壓降低引起照明燈亮度不足或因電壓過高而縮短其使用壽命，甚至引起用電設(shè)備損壞等。

6）三相不平衡會引起對通信的干擾。

3 消弧線圈引起三相電壓不平衡分析及解決辦法

DL/T 620—1997《交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合》“消弧線圈接地系統(tǒng)，在正常情況下，中性點(diǎn)的長時間位移電壓不應(yīng)超過系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓的15%”。“消弧線圈接地系統(tǒng)故障點(diǎn)的殘余電流不宜超過 10A，必要時可將系統(tǒng)分區(qū)運(yùn)行。消弧線圈宜采用過補(bǔ)償方式”[4-6]。提高殘流值后，有利于消弧線圈檔位遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)運(yùn)行，同時降低三相不平衡度。

3.1 消弧線圈并入中性點(diǎn)對電壓的影響

由于 66kV電網(wǎng)三相導(dǎo)線排列的不對稱性，即使不接消弧線圈，電網(wǎng)中性點(diǎn)也會產(chǎn)生位移，所以稱為不對稱電壓Uun。當(dāng)66kV電網(wǎng)單相接地電容電流超過10A時，需要采用消弧線圈進(jìn)行補(bǔ)償，將工頻續(xù)流限制在合理范圍內(nèi)，有利于單相故障點(diǎn)處的電弧熄滅，減少相間短路故障跳閘的發(fā)生。如果消弧線圈檔位調(diào)整不當(dāng)，也會造成不利影響。消弧線圈接地系統(tǒng)在正常運(yùn)行時的等值電路如圖1所示。CA、CB、CC為三相對地電容，RA、RB、RC為三相泄漏電阻，L為消弧線圈等值電感，R為消弧線圈阻尼電阻。

圖1 66kV經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)等效電路圖

在將電網(wǎng)接入消弧線圈裝置前（圖1中接地刀閘 K在分位），鑒于三相線路的不對稱性，在中性點(diǎn)將出現(xiàn)一個不對稱電壓，即

式中，UA、UB、UC為各相電壓的相量值，kV；YA、YB、YC為各相對地等值電導(dǎo)，1/Ω；KC為電網(wǎng)的不對稱度。

由式（1）可知，當(dāng)YA、YB、YC不相等時，中性點(diǎn)會產(chǎn)生位移電壓。此時，三相對地電壓分別為

從式（2）可以看出，鑒于中性點(diǎn)不對稱電壓Uun的存在，使得三相對地電壓偏離了對稱的電源電壓。在接入消弧線圈裝置后（圖1中刀閘K在合位上），中性點(diǎn)出現(xiàn)了位移電壓，即

U0的模為

式中，KC為電網(wǎng)的不對稱度；v為電網(wǎng)的脫諧度；d電網(wǎng)的阻尼率。

式中，v一般為5%～30%，d一般為2%～10%，由式（4）可知，U0＞Uun?？梢娤【€圈對中性點(diǎn)處的電壓有放大作用。中性點(diǎn)位移電壓幅值的升高，將導(dǎo)致三相對地電壓出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡。因此，必須限制中性點(diǎn)位移電壓的幅值。為更好滿足電能質(zhì)量的要求，一般允許電壓偏離5%。

由式（4）可知，中性點(diǎn)位移電壓U0與KC、v、d有關(guān)。為減小中性點(diǎn)位移電壓，可以采取降低電網(wǎng)不對稱度、增大電網(wǎng)脫諧度和增大電網(wǎng)阻尼率三種方法。在電網(wǎng)不對稱度和阻尼率一定的情況下，消弧線圈接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)位移電壓U0與脫諧度v可得出圖2的關(guān)系。隨著脫諧度絕對值的減小，中性點(diǎn)位移電壓逐漸增大。當(dāng)v=0（全補(bǔ)償）時，U0達(dá)到最大，在曲線頂部放大倍數(shù)約為20～40倍，即使很小的不對稱度也會導(dǎo)致極高的中性點(diǎn)位移電壓。脫諧度越小，放大作用越強(qiáng)，中性點(diǎn)位移電壓越大，三相電壓不平衡度越嚴(yán)重。

圖2U0與v的關(guān)系曲線

從式（4）中可知，在脫諧度和阻尼率較小的情況下，補(bǔ)償電網(wǎng)的中性點(diǎn)位移電壓會產(chǎn)生嚴(yán)重偏移，將導(dǎo)致三相電壓出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡，出現(xiàn)U0≥15%Uph，并極可能引起系統(tǒng)發(fā)出接地告警信號。

3.2 降低電網(wǎng)的不對稱度

66kV非城區(qū)電網(wǎng)一般采用架空線路，通常不換位，因此，電網(wǎng)的不對稱度較大。一般情況下，架空線路不對稱度KC為0.5%～2.5%。導(dǎo)線對地電容的大小與導(dǎo)線排列方式、線徑、對地高度、相間距離、地面環(huán)境、空氣濕度等有關(guān)。必要時應(yīng)在不同的環(huán)境，不同的季節(jié)進(jìn)行實(shí)際測試。

輸電線路的不平衡度越小越好。降低電網(wǎng)的不對稱度，采用線路三相輪流換位是最根本的方法。但 66kV電網(wǎng)線路建設(shè)時均未換位，若對線路換位改造，費(fèi)用高，工期長。同塔雙回線換位改造困難，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，而且改造會給帶電作業(yè)帶來困難。采用線路整體換位，即在一些線路的兩側(cè)變電站改變相序即可，該方法簡單有效，可以降低電網(wǎng)的不對稱度。研究表明，輸電線路三相水平排列的不平衡度比三角排列的高。相同條件下，同塔雙回輸電線路在同相序排列方式下的不平衡度最大，其次是異相序排列方式，逆相序排列的線路不平衡度最小[7]。新建的 66kV長線路，不應(yīng)加重電網(wǎng)的三相不平衡度，可以優(yōu)化三相導(dǎo)線排列。在三相不平衡度超標(biāo)的電網(wǎng)，可以采用線路整體換位，同塔雙回線采用逆相序排列的方式，將電網(wǎng)不平衡度降低到最小。

隨著 66kV線路變壓器組接線的增多，單相電容式電壓互感器在電網(wǎng)中使用較多，也加重三相對地電容不平衡。線路單相電容式電壓互感器不宜統(tǒng)一裝在A相，可考慮均衡裝在A、B、C三相上，降低電網(wǎng)不平衡度。

線路可以加裝電容器，使三相對地電容平衡，減小不對稱性。但該方法會因電容器的存在而增加故障率，降低電網(wǎng)可靠性，同時給繼電保護(hù)整定帶來困難。因此，采用該方法降低電網(wǎng)不對稱度不夠理想。

3.3 提高補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率

補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率d定義為：線路對地泄漏電導(dǎo)3Y，消弧線圈阻尼電阻R的等效電導(dǎo)YR與電容電納的比值，即

式中，C為線路對地總電容。

一般正常絕緣狀況的架空線路阻尼率d0約為3%～5%，其中較小值為66kV電網(wǎng)，較大值為10～35kV電網(wǎng)，絕緣積污或受潮時可增大為10%；電纜線路d0約為2%～4%,絕緣老化時可增大為10%；d0與導(dǎo)線的排列位置無關(guān)[8-9]。

dR的大小由消弧線圈阻尼電阻R決定，目前廣泛采用消弧線圈與阻尼電阻串聯(lián)的方式。dR與阻尼電阻R成正比，因此，增大阻尼電阻是提高補(bǔ)償電網(wǎng)阻尼率的有效手段。當(dāng)電網(wǎng)的不對稱度無法調(diào)整、脫諧度受殘流的限制不能增大時，增加阻尼電阻是一種降低中性點(diǎn)位移電壓的有效措施。

阻尼率d與脫諧度v一樣，對電網(wǎng)接地殘流大小和中性點(diǎn)位移電壓都會有影響。從式（4）可知，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定后，不對稱電壓Uun應(yīng)為一定值，增加阻尼率d可以降低中性點(diǎn)位移電壓U0。對中性點(diǎn)位移電壓較大的電網(wǎng)，提高電網(wǎng)阻尼率可以降低中性點(diǎn)位移電壓，減少三相電壓的不平衡度，避免電網(wǎng)虛假接地告警信號的發(fā)生。因此，適當(dāng)增大中性點(diǎn)阻尼電阻值可以減少三相不平衡度。正常運(yùn)行時，配置阻尼電阻應(yīng)滿足，中性點(diǎn)位移電壓U0不得超過相電壓的15%，可避免虛幻接地現(xiàn)象的發(fā)生，即

由式（7）可得

一般情況下，架空線路KC為0.5%～2.5%?？紤]到最不利情況，全補(bǔ)償（v=0）和不對稱度最大（KC=2.5%），由上式可得

考慮到d0最?。?%）的情況，即

考慮到消弧線圈在最大感抗處（最小補(bǔ)償電流）運(yùn)行時，即

將阻尼電阻配置到消弧線圈最大感抗的14.7%，即使電網(wǎng)在不對稱度最大、阻尼率最小時，也能保證中性點(diǎn)位移電壓U0不超過相電壓的15%。

3.4 增大補(bǔ)償電網(wǎng)的脫諧度

消弧線圈參數(shù)整定需要兼顧以下3個條件：

1）有恰當(dāng)?shù)拿撝C度，一般控制在5%～30%內(nèi)。

2）對66kV系統(tǒng)，殘流應(yīng)控制在3～10A內(nèi)。

3）在投入消弧線圈后，中性點(diǎn)位移電壓應(yīng)小于15%U相，考慮到三相電壓的平衡，以小于5%U相為宜。

當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一定時，由電網(wǎng)的不對稱度KC和阻尼率d確定，由式（4）可知，增大補(bǔ)償電網(wǎng)的脫諧度，可以降低中性點(diǎn)位移電壓。適當(dāng)調(diào)整消弧線圈檔位，增大補(bǔ)償電感電流，增大脫諧度，來降低中性點(diǎn)位移電壓。增大電網(wǎng)脫諧度后，電網(wǎng)的殘流也會增大，但需控制在10A以下。當(dāng)系統(tǒng)電容電流較?。ㄐ∮?0A）時，取脫諧度v=20%，仍可保證殘流小于10A。

根據(jù)中性點(diǎn)位移電壓U0與脫諧度v可得出圖2的關(guān)系。脫諧度增大，可以降低中性點(diǎn)位移電壓，但脫諧度過大，將使線路接地殘流太大，電弧不宜熄滅，容易引起事故擴(kuò)大。因此，在滿足殘流要求的前提下，適當(dāng)調(diào)整消弧線圈檔位，加大脫諧度，可以改善三相電壓不平衡度，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時，應(yīng)加強(qiáng)母線電壓的監(jiān)控和分析工作，及時采取措施加以解決。應(yīng)從根本上消除三相電壓不平衡現(xiàn)象，減輕三相不平衡產(chǎn)生的危害，降低電氣設(shè)備故障率，提高電網(wǎng)可靠運(yùn)行水平。

1）消弧線圈投入后，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生不平衡或不平衡加劇是正常現(xiàn)象，只要?dú)埩鞑怀^ 10A，中性點(diǎn)位移電壓不超過15%相電壓即可。

2）消弧線圈對中性點(diǎn)位移電壓起到放大作用，補(bǔ)償度越小，放大作用越強(qiáng)，補(bǔ)償度為零時，放大倍數(shù)約為20～40倍。

3）66kV電網(wǎng)可以采用線路整體換位或變換架空輸電線路相序排列的方法，平衡不對稱電容電流，降低電網(wǎng)的不對稱度。

4）通過增加消弧線圈裝置的阻尼電阻，可以提高補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率。

5）可以采用降低電網(wǎng)的不對稱度、增大補(bǔ)償電網(wǎng)的脫諧度、提高補(bǔ)償電網(wǎng)的阻尼率等3種方法，來降低電網(wǎng)三相電壓不平衡度。

[1]DL/T 620—1997 交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[2]王代弟.配電網(wǎng)三相不平衡問題的分析與研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2007.

[3]GB/T 15543—2008 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度[S].

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Research on Three-phase Voltage Unbalance of 66kV Bus in Substation

Yang Lin1Wang Liang2Zhao Shouzhong1Li Fengyu1Wang Kai3
(1.State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd,Skills Training Center,Jinzhou,Liaoning 121001；2.State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd,Dispatching Control Center,Shenyang 110006；3.State Grid Jinzhou Electric Power Supply company,Jinzhou,Liaoning 121000)

Many problems have been caused by unbalanced three-phase parameters in 66kV grid,such as three-phase voltage unbalance，higher displacement voltage of neutral-point，virtual grounding and difficult parameters setting of arc suppression coil etc.The problems will not only harm the safe operation,normal output of transformers and other facilities seriously,but also result in malfunction of relay protection,automatic safety facilities and increase of the power loss.The paper analysis theoretically the reason why arc suppression coil caused voltage more unbalanced seriously.The three methods includes reducing the asymmetry degree of grid,increasing off resonance degree of the compensation power grid and improving damping ratio of compensation power grid,reducing degree of three-phase voltage unbalance,which achieve good results.

arc suppression coil；three-phase voltage unbalance；power quality；capacitive current；off resonance degree

楊林（1983-），男，遼寧錦州人，滿族，講師，碩士，從事電網(wǎng)運(yùn)行方面的研究與培訓(xùn)工作。