35kV系統三相電壓不平衡現象分析

粵電集團貴州有限公司 劉志其

在35kV系統中，經常出現三相電壓不平衡現象，其產生的原因多種多樣，如不及時查出原因，可能使設備受到嚴重威脅，甚至擴大事故。本文結合故障實例重點分析了系統接地、線路斷線、鐵磁諧振、PT二次回路異常、PT熔絲熔斷等故障原因，并進行了詳細的故障現象描述，以便現場人員能夠快速準確查出故障，確保系統安全穩定運行。

一、概述

某風電場升壓站建好反送電運行幾天后，觀察35kV母線電壓，發現三相電壓嚴重不平衡，隨之后臺監控裝置顯示1號主變低后備保護—低壓側復壓動作，查閱監控數據：AB相間電壓平均為30.66V，BC相間電壓平均為30.12V，CA相間電壓平均為35.51V，A相平均電壓為20.32kV，B相平均電壓為15.19kV，A相平均電壓為20.43kV，零序平均電壓為2.66kV；二次側A相電壓為58.1V，二次側B相電壓為43.6V，二次側C相電壓為58.2V，二次側零序電壓為9.1V。

為了準確的判斷故障類型，查取35kV母線三相電壓故障錄波圖，如圖1所示。由錄波圖可知：A、C相電壓波形正常，B相電壓波形發生畸變，波形近似為三角波，且每個周波畸變部位相同，這是系統存在諧波分量造成的。

圖1 35kV母線三相電壓故障錄波圖

二、故障原因分析

造成35kV母線電壓不平衡的主要原因有以下幾種：（1）系統接地；（2）線路斷線；（3）鐵磁諧振；（4）PT二次回路異常；（5）PT熔絲熔斷。

三、故障現象描述

（1）本電場采用小電阻接地方式，如圖2所示，電網正常運行時，由于電纜電網的不對度較小，還有中性點接地電阻強阻尼作用，可不考慮變壓器中性點電壓偏移影響（張俊華.配電網中性點電阻接地方式研究及接地電阻器的開發[D].長沙:湖南大學,2009）。若發生單相接地故障時，設系統正常相電壓為U0，故障點電流為Ig，則發生故障時正常相的相電壓變成原來的倍，電壓向量如圖3所示。即即故障點的電流Ig= — ( IR+ IB+ IC)。綜上所述，發生接地故障時，小電阻接地系統電壓變化特性類似于中性點不接地系統，電流變化特性類似于中性點直接接地系統。

圖2 中性點經電阻接地原理圖

圖3 電壓向量圖

若發生金屬性接地時，則故障相電壓為零，非故障相電壓上升為線電壓，此時PT的輔助繞組開口三角電壓為100V，保護裝置發出接地信號；若發生非金屬接地時，故障相電壓低于正常線電壓，非故障相電壓高于正常相電壓，低于正常線電壓，此時開口三角電壓小于100V。雖然相電壓不平衡，但是線電壓卻基本保持不變。

（2）35kV線路斷線時，不僅會引起三相電壓不平衡，而且會引起線電壓降低。當上一電源側即電源側線路單相斷線時，表現為故障相電壓升高，一般小于1.5倍相電壓，非故障兩相電壓降低且相等，一般不低于0.87倍相電壓；斷線相相電壓升高的原因為斷線將引起三相電壓及電流不對稱，系統處于非全相運行狀態，造成系統中各相對地電容變化，導致變壓器中性點偏移；電壓升高的幅度與斷線點和母線的距離相關，距離母線越近電壓越高，反之則越低。當下一個電壓等級即負荷側線路單相斷線時，三相相電壓都降低，其中故障相電壓較低，非故障相電壓較高且比較接近。

（3）在PT對地的感抗與電網對地電容匹配的情況下，由于對只帶PT的空母線突然合閘或者系統發生接地故障，會導致PT出現很大的勵磁涌流，引起PT鐵芯飽和，促使其三相對地導納不對稱，發生鐵磁諧振。鐵磁諧振分為基波（工頻）諧振、分頻諧振、高頻諧振（李國友,曹琪琳.電壓互感器一次側加裝消諧器后三相電壓不平衡原因分析[J].高壓電器,2008,44(2):187-189）。

基波諧振現象是一相（兩相）對地電壓升高，高于線電壓，一般小于3倍相電壓，兩相（一相）對地電壓降低，但不為0，中性點產生不同程度的零序電壓，開口三角電壓一般小于100V；分頻諧振現象是三相電壓同時升高或依次輪流升高，并在相同范圍內以低頻周期性擺動，電壓升高一般小于2倍相電壓，中性點產生零序電壓，開口三角電壓一般小于100V；高頻諧振現象是三相電壓同時升高，高于線電壓，一般小于3.5倍相電壓，中性點產生較高的零序電壓，開口三角電壓一般大于100V。此外，發生鐵磁諧振時線電壓一般不會改變。

（4）PT二次回路異常一般比較復雜，表現形式各樣，一般需要現場詳細分析與檢測，主要分為PT二次兩點接地、PT二次側N600（中性線）斷線、PT二次回路斷線等幾種情況。其中PT二次接地故障現象為：在母線或線路出口故障時，PT二次兩點接地產生的附加電壓將使健全相中一相電壓明顯升高而另一相明顯降低，故障相電壓幅值變大，相位改變；PT二次側N600（中性線）斷線時故障現象為：三相電壓波形都會有一些畸變，主要表現為尖頂波，這是因為含有大量三次諧波而引起的；PT二次回路斷線電壓變化跟PT接線方式有關，這個表現比較復雜，本文中暫不分析說明。

（5）PT熔絲熔斷的情況可以分為高壓熔絲熔斷和低壓熔絲熔斷，高、低壓熔絲的接入位置如圖4所示。

圖4 高、低壓熔絲的接入位置的線路圖

高壓熔絲會造成系統的三相電壓不平衡，當高壓熔絲單相熔斷時，熔斷相相電壓會降低或接近于0，這是由于PT鐵芯彼此想通，熔斷相磁通會減小但不會為0，一次繞組會有感應電壓，其未熔斷相相電壓為正常相電壓，其相角差為1200，未熔斷兩相相間電壓（線電壓）為正常線電壓，其他線電壓降低；一般熔絲熔斷處有明顯過熱現象，可利用紅外線測溫儀測量，比較溫度差異；在開口三角形處也會產生不平衡電壓，即零序電壓，其理論值為33V左右，發出接地信號；錄波圖上故障相電壓波形稍有畸變，且每個周期畸變部位大致相同；但是大多時候PT高壓熔絲不能完全熔斷，通過高阻接通，其二次側電壓降低不明顯，其零序電壓也較小，一般在10V左右，不會發出接地信號。當高壓熔絲兩相熔斷時，熔斷的兩相相電壓很小或接近于0，未熔斷相相電壓接近正常電壓，熔斷的兩相相間電壓(線電壓)為0，其他線電壓降低，但不為0（溫選堯,龍海蓮,等.35kV母線TV高壓熔斷器異常現象[J].四川電力技術,2008,31(2):47-50）。

低壓熔絲熔斷時，由于一次側三相電壓仍然平衡，故PT開口三角電壓為0，不會發出接地信號，其余故障現象均與高壓熔絲熔斷相似。若已判斷PT二次側熔絲完好，測得PT二次三相相電壓有一相或者兩相低于50V，且PT開口三角有電壓，電壓為10V左右，則可判斷為高壓熔絲熔斷；若測得PT二次三相相電壓有一相或者兩相低于30V，且PT開口三角無電壓，則可判斷為低壓熔絲熔斷。

四、結語

由于本次故障A、C相電壓正常，B相電壓低于正常相電壓，B相電壓波形發生畸變，波形近似為三角波，且每個周波畸變部位相同，同時現場PT安裝了消諧器，根據上述故障現象的描述對比，故障原因可能是PT的B相高壓熔斷器熔斷，經過現場檢查與測量，確認是PT的B相高壓熔斷器熔斷，經過更換后，三相電壓大約為20.32kV，零序電壓為0.37kV，三相電壓平衡，故障解除。