大型水電站廠用電電壓不平衡分析及應(yīng)對措施

王 剛，薛萬軍

（二灘水力發(fā)電廠，四川省攀枝花市 617000）

大型水電站廠用電電壓不平衡分析及應(yīng)對措施

王 剛，薛萬軍

（二灘水力發(fā)電廠，四川省攀枝花市 617000）

本文介紹了一起典型的大型水電站在機組正常運行期間，監(jiān)控系統(tǒng)上多次出現(xiàn)2號機組故障錄波觸發(fā)的報警，現(xiàn)場檢查是發(fā)現(xiàn)廠用電電壓不平衡造成該報警信號?，F(xiàn)場根據(jù)對于我廠出現(xiàn)的602M TV發(fā)生三相電壓不平衡造成故障錄波裝置頻繁觸發(fā)的事件進行了深入的分析，確定了602M發(fā)生的電壓三相不平衡即為A相間歇性虛幻接地造成的，緊接著我們又對發(fā)生間歇性虛幻接地的原因進行了深入討論。最終，根據(jù)發(fā)生原因采取了相應(yīng)的改進措施以應(yīng)對該現(xiàn)象，以保障廠用電的安全運行。

故障錄波；廠用電；不平衡；措施

1 概述

該廠機變系統(tǒng)為發(fā)電機-變壓器單元接線。廠用電系統(tǒng)采用6kV、400V兩級電壓供電，由廠內(nèi)廠用電系統(tǒng)和廠外廠用電系統(tǒng)兩部分組成，6kV系統(tǒng)由601M～606M及其二次設(shè)備組成，其主電源分別取自廠高變21B～26B低壓側(cè)，取自三灘變電站的1號施工電源（灘21線）連接至6kV 601M，取自三灘變電站的2號施工電源（灘6線）連接至6kV 606M，這兩路施工電源作為電站備用電源。接線方式為單母線分段接線，母線間均有聯(lián)絡(luò)開關(guān)和刀閘，并配有可靠的備自投裝置。

在2016年9月23日至10月16日期間，CCS多次發(fā)“二號機故障錄波器 觸發(fā)”報警信號，現(xiàn)場檢查為“廠用高壓變壓器低壓側(cè)開口三角形電壓UL有效值高越限 啟動”信號。故障錄波裝置顯示為：廠用變壓器低壓側(cè)二次電壓B相降低10V左右，C相升高10V左右，A相基本沒變，零序電壓20V左右。因廠用變壓器低壓側(cè)三相電壓和零序電壓為獨立通道，且計算的零序電壓和直接采集的零序電壓一致，因此排除裝置通道原因。

2 報警原因分析

對于我廠出現(xiàn)的602M TV發(fā)生三相電壓不平衡造成故障錄波裝置頻繁觸發(fā)的事件，做了如下分析。

2.1 電磁式電壓互感器勵磁特性不同造成輸出電壓不平衡

我廠6kV母線TV采用的是三臺單相三繞組電壓互感器，由于長時間運行，三臺電磁式電壓互感器的勵磁特性不同會導(dǎo)致輸出電壓不一致。在檢修人員的分階段檢查測試中，已經(jīng)對602TV B相和607TV C相避雷器進行了更換，未對其余相進行更換，其中602TV B相型號與之前不相同。因此，電壓互感器的勵磁特性不同導(dǎo)致輸出電壓不平衡的因素是存在的。

2.2 虛幻接地現(xiàn)象

曾經(jīng)有單位采用三個廠家生產(chǎn)的勵磁特性不同的電壓互感器構(gòu)成絕緣檢查裝置，投入運行之后會產(chǎn)生虛幻接地現(xiàn)象。原因是三臺電壓互感器的激勵阻抗不相等，相當于三相不對稱負載，這樣會使中性點產(chǎn)生漂移，零序電壓疊加在正序的電源電壓上，造成各相負載電壓不平衡，在二次繞組中會出現(xiàn)零序電壓。當激勵阻抗差別不大時，只能導(dǎo)致輸出電壓稍微不平衡；當激勵阻抗差別較大，并使開口三角形繞組兩端的零序電壓大于絕緣監(jiān)察裝置電壓整定值，就會觸發(fā)故障錄波裝置。

中性點不接地系統(tǒng)的電網(wǎng)屬于小電流接地系統(tǒng)，開口三角形是指在中性點不接地系統(tǒng)中電壓互感器三相二次繞組按三角形接線連接，但最后有一點不連上，即構(gòu)成開口三角。正常情況下，開口三角上沒有電壓，當發(fā)生系統(tǒng)單相接地時，電壓互感器一次繞組就會有一相上無電壓，造成對應(yīng)的二次繞組上也無電壓，則開口三角上就會出現(xiàn)電壓。通過檢測開口三角上的電壓，就可以知道高壓系統(tǒng)是否有接地現(xiàn)象，這在電力系統(tǒng)上被稱為“接地監(jiān)察”。

6kV系統(tǒng)母線TV接線如圖1所示。其主要功能是提供準確的線電壓、相電壓和絕緣情況。若三相對地電壓不對稱，中性點對地有位移電壓U0時，開口三角形繞組按變比關(guān)系反映位移電壓值，觸發(fā)故障錄波裝置啟動，且只要母線發(fā)生對地電壓不對稱而使中性點發(fā)生位移，且位移電壓達到動作值，裝置就會無選擇性地顯示及反映。除單相接地外，造成中性點發(fā)生位移的原因有很多，如鐵磁諧振、負荷嚴重不對稱等。這種由于非接地原因，導(dǎo)致三相電壓產(chǎn)生較大位移電壓的類似接地的現(xiàn)象，通常稱為虛幻接地現(xiàn)象。

由于近期出現(xiàn)的故障錄波裝置觸發(fā)時間沒有周期性，而且在觸發(fā)之后的一段時間內(nèi)母線三相電壓又能恢復(fù)正常，因此根據(jù)我廠的實際情況，在這里將602M發(fā)生的電壓三相不平衡現(xiàn)象稱為間歇性虛幻接地現(xiàn)象。6kV系統(tǒng)母線TV接線如圖1所示。

圖1 6kV系統(tǒng)母線TV接線Fig.1 6kV busbar PT wiring diagram

根據(jù)故障錄波裝置前置機單元定值，廠用高壓變壓器低壓側(cè)三角形電壓高越限幅值設(shè)定值為20V，即當位移電壓達到20V時，故障錄波裝置會啟動，對應(yīng)的一次值可以計算：

式中N1、N2分別是一次繞組、開口三角形繞組的匝數(shù)。

由于103.92×20V=2.078kV≈2.1kV，因此當中性點位移電壓達2.1kV時，故障錄波裝置會觸發(fā)啟動，與故障錄波數(shù)據(jù)吻合。

2.3 單相不完全接地

設(shè)中性點不接地系統(tǒng)三相對地導(dǎo)納為YA、YB、YC，各相對中性點發(fā)生偏移后的d點電壓和相電壓分別為UAd、UBd、UCd和UAO、UBO、UCO。中性點位移電壓為UOd，其電壓向量圖如圖2所示。

圖2 中性點位移電壓向量圖Fig.2 The neutral point displacement voltage vector diagram

利用基爾霍夫定律地中電流為0的關(guān)系，可得：

因此，中性點位移電壓為：

正常運行時，各相對地電容CA、CB、CC，對地泄露電阻rA、rB、rC，由于泄露電導(dǎo)比電容電納小的多，可以忽略不計，同時可認為三相對地電容相等。即當A相經(jīng)過渡電阻Rn接地時，各相對地的導(dǎo)納變?yōu)椋?/p>

將上式帶入中性點位移電壓公式，可得到單相接地時的UOd。

分析上式可知，當Rn變化時，向量UOd始端的軌跡是以接地相相電壓向量UAO為直徑的位于其順時針方向一側(cè)的半圓，如圖3所示。

圖3 變化時的中性點位移的電壓軌跡（以A相接地為例）Fig.3 The voltage trajectory of the neutral point dicplacement at the time of change（e.g.A）

沒有接地時，Rn=∞，UOd=0；當發(fā)生完全接地時，Rn=0，UOd=Ux（Ux為相電壓），即Rn從∞～0，則UOd在0～Ux內(nèi)變化。為分析發(fā)生單相接地故障時，各相電壓大小及相互關(guān)系，引入表示接地程度的接地系數(shù)。若單相接地系數(shù)用K表示，則：

引入接地系數(shù)以后，由圖4可以求出當A相接地時各相對地電壓與K的函數(shù)關(guān)系為：

為方便理解，將推導(dǎo)過程省略，直接給出不同的K值下，對應(yīng)的UAd、UBd、UCd的軌跡關(guān)系圖，如圖5所示。

圖4 用接地系數(shù)K表示的電壓向量圖Fig.4 Voltage Vector diagram represented by grounding coofficient

圖5 各相對地電壓和K值的關(guān)系（以A相接地為例）Fig.5 Relationships of relatine voltage and values（e.g.A）

根據(jù)軌跡圖可以很容易看到，對于不同的UOd，C相的對地電壓總是大于A相和B相得對地電壓。由此可得出規(guī)律：對于中性點不接地系統(tǒng)，單相不完全接地時，以正序（A→B→C→A）為準，對地電壓最高相的下一相為接地相。根據(jù)我廠的實際情況，查詢故障錄波觸發(fā)波形，對地電壓最高相為C相，所以可判斷接地故障為下一相，即A相。因此根據(jù)我廠的實際情況，602M發(fā)生的電壓三相不平衡即為A相間歇性虛幻接地造成的。

3 間歇性虛幻接地原因分析

對于如何會發(fā)生間歇性虛幻接地現(xiàn)象，主要從以下幾個方面著手進行分析。

3.1 不同諧波諧振時的特點

不同諧波諧振時的特點見表1。

表1 不同諧波諧振時的特點

根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)，廠用高壓變壓器低壓側(cè)相電壓和開口三角電壓值變化情況，幅值較小，不滿足基頻、高頻和分頻諧振的條件，因此諧振導(dǎo)致虛幻接地的原因被排除。但是若同時發(fā)生多種類型的諧振情況還是值得注意。

3.2 電網(wǎng)三相對地電容不對稱引起

當電網(wǎng)三相電源電壓平衡，絕緣又未被破壞的情況下，由于CA、CB、CC不相等可產(chǎn)生零序電壓，而在三相對地電容不平衡達到某一程度時，就會引起接地保護動作，即出現(xiàn)虛幻接地現(xiàn)象。對地電壓的特點是三相電壓常常各不相同，最低相電壓大于0，到現(xiàn)在為止這個可能性是最大的。

3.3 耦合電容傳遞零序電壓

在正常運行情況下，高壓側(cè)中性點的位移電壓很小，對外界無感應(yīng)，一般可以不計。但是當發(fā)生電容放電或線路中發(fā)生單相不完全接地、斷線等故障，就將出現(xiàn)較高的位移電壓，并通過耦合電容傳遞給低壓側(cè)，使低壓側(cè)出現(xiàn)零序電壓。由于它是由電容傳遞的，所以在電力系統(tǒng)中通常稱為耦合電容傳遞零序電壓。當零序位移電壓達到故障錄波觸發(fā)值時，低壓側(cè)電壓互感器就會發(fā)出虛幻接地信號。

值得注意的是，此類位移電壓主要是通過變壓器繞組間的電容傳遞，也可能通過平行線路間的電容傳遞，另外高壓側(cè)開關(guān)的不對稱開斷或較長時間的三相不同期都會產(chǎn)生傳遞過電壓。根據(jù)我廠的實際情況和故障錄波數(shù)據(jù)，主變壓器高低壓側(cè)電壓、電流的波形和幅值均未發(fā)生變化，高壓側(cè)開關(guān)未斷開，也不存在三相不同期的情況，因此耦合傳遞零序電壓導(dǎo)致電壓互感器產(chǎn)生虛幻接地的原因被排除，但平行線路間的電容傳遞是我們值得思考的問題。

3.4 雷電感應(yīng)過電壓

由于中性點不接地系統(tǒng)的雷電感應(yīng)過電壓三相基本相同，將使電壓互感器開口三角形繞組出現(xiàn)含有低頻分量的電壓，使故障錄波觸發(fā)，發(fā)出虛幻接地信號。

4 應(yīng)對措施

當電網(wǎng)三相電源電壓平衡，絕緣又未被破壞的情況下，由于三相對地電容CA、CB、CC不相等而且三相電容不平衡達到一定程度時，出現(xiàn)的虛幻接地現(xiàn)象，這是單相不完全接地的可能性中最大的一種。

其故障排除的方法是：

（1）逐個排查各級負荷接地的可能；

（2）排除母線一次回路存在接地的可能；

（3）對空母線充電后，測量TV相電壓、線電壓及開口三角形電壓，若出現(xiàn)相電壓不平衡，則說明母線三相電容不平衡若正常則進行下一步；

（4）逐個增加母線的各級負荷，直到查出哪一處三相電容不平衡，虛幻接地現(xiàn)象即會消失。

其他故障的排除方法需要對數(shù)據(jù)進行全面分析，再采取不同的方法。最常用的是EFD-91B接地故障探測儀，原理是采取故障相接地電容電流中含有的許多高次諧波分量產(chǎn)生的磁場能夠被儀器接收，在儀表中顯示一定量值，從而進行判斷。使用該儀器可不用逐路拉閘停電來判斷是哪條線路發(fā)生單相接地，以及傳統(tǒng)的沿著每一個分支線路去盲目查找故障的方法。

5 效果檢驗

近期，監(jiān)控系統(tǒng)上報廠用電六段606M發(fā)生報警信號，現(xiàn)場檢修人員根據(jù)602M的經(jīng)驗，初步判斷為606M虛幻接地。因此采用了故障排除的方法，先檢查排除了母線一次回路的接地；接著在逐個排除廠用電606M上所帶負荷，也未檢查到接地；單獨將母線上負荷拉掉，通過對空母線充電，測量TV相電壓、線電壓和開口三角形電壓，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了相電壓不平衡。判斷應(yīng)該是母線電容不平衡，檢修人員更換了母線三相電容，恢復(fù)母線及負荷送電，報警消失，故障排除。

6 結(jié)束語

針對目前水電站廠用電運行過程中，電壓不平衡問題經(jīng)查出現(xiàn)，本文根據(jù)電廠實際總結(jié)了一套快速排除廠用電虛幻接地的故障排除方法。在以后出現(xiàn)的其他廠用電問題，還需要通過試驗進行進一步分析。

[1] 國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護實用技術(shù)問答（第二版） [M].北京 ：中國電力出版社，2000.National Power Dispatch Communication Center.Power System Relay Protection Practical Technical Questions （second edition）[M].China Power Press，2000.

[2] 羅志平，張旭寧.繼電保護現(xiàn)場試驗存在的典型問題及試驗方法探討[J].電力自動化設(shè)備，2006，26（5）：96-99.LUO Zhiping，ZHANG Xuning.The Typical Problems and Test Methods of Relay Protection Field Test[J].Power Automation Equipment，2006，26 （5） ： 96-99.

2017-02-15

2017-05-20

王 剛（1986—），男，工程師，從事水電站運行工作。E-mail：wang_gang0319@163.com

薛萬軍，工程師，從事水電站運行工作。

Large hydropower plant power voltage unbalance analysis and countermeasures

WANG Gang，XUE Wanjun
（Ya Long River Hydropower Development Company，Ltd.Chengdu 610051，China）

this paper introduces the typical large hydropower stations in the unit during normal operation，monitoring and control system on multiple fault wave record unit 2 trigger the alarm，onsite inspection is found that the auxiliary power voltage imbalance caused the alarm.Field according to the 602 m for our factory in PT occurs due to unbalanced three-phase voltage fault wave record device are carried on the thorough analysis of the trigger event，determine the unbalanced three-phase voltage of 602 m is A phase of intermittent virtual ground，then we have to have the intermittent virtual ground reason carried on the thorough discussion.Finally，the corresponding improvement measures are adopted to deal with this phenomenon，so as to ensure the safe operation of the plant.

fault recording; Auxiliary power; Imbalance; measures

TV743

A學(xué)科代碼：570

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.019