线路电压互感器引起的母线电压不平衡分析

师亮云，赵晓晅

（榆林供电局，陕西榆林719000）

0 引言

三相电压不平衡现象广泛存在于我国电力系统配电网中，并且还有加重的趋势。变电站35 kV配电系统中性点一般为非直接接地系统，线路以短距离架空线为主[1-7]。文献[8]主要研究了由于35 kV系统架空线路排列不对称引起中相电容偏低造成的中性点位移电压；文献[9]等还研究了不对称负荷等引起电压不平衡的处理方法；文献[10]等主要研究了由于电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振造成的电压不平衡；本文主要是对现场的实际运行情况引起的电压不平衡新现象进行的分析。在实际运行中，发现有些110 kV变电站的35 kV配电系统出现不明原因的母线电压不平衡现象，35 kV系统为中性点非直接接地系统，发生电压不平衡现象的共同特征是35 kV系统轻载，并在线路侧设置有单相线路电压互感器。

本文主要从电压互感器的不对称接入以及线路空载时的电容效应两方面出发进行了计算分析，并根据分析结果给出了解决方案。

1 电压不平衡分析

1.1 引起系统母线电压不平衡的原因

1）电容效应引起的电压不平衡，即当线路轻载时，由于线路的容抗大于感抗造成的线路末端电压高于始端的现象。实际上，系统中电源容量是有限的，即Xs＞0，当发生电容效应时，线路的电容电流流过电源上的电感也会造成电压升高，从而引起电压不平衡。显然，电源容量越小，电容效应越严重[11]。

2）三相PT不对称引起的电压不平衡。三相PT对称但线性度不好，从而引起电压不平衡。此时的对地电容范围、过电压和过电流要比线性度一致时大的多，可见线性度的提高对抑制电压不平衡的作用还是很明显；线路PT非全相运行时也会造成电压不平衡，一相或两相PT的接入会导致系统三相对地电容的不平衡，从而引起电压不平衡[10,12-13]。

1.2 实例分析

首先对现场进行检查，发现母线电压互感器一、二次熔丝都完好，线路未发生接地，35 kV系统也没有谐振现象，负荷也基本平衡。断开线路发现母线电压平衡，投入线路电压不平衡又出现，断开线路单相电压互感器后，投入线路，母线电压平衡。由此最终可确定线路电容式电压互感器是引起母线电压不平衡的主要原因。

对线路电压互感器进行电气试验，试验数据与出厂基本一致，具体数据下。

绝缘电阻：100 000 MΩ

介 损：1.06%

电容Cx：10.12 μF

电容量偏差：2.51%

根据上述实验数据我们可以排除电压互感器的故障因素，由此可以得出出现电压不平衡的主要原因即为单相电压互感器的接入引起各相对地电容的不平衡所致。

2 分布电容不均导致电压不平衡

2.1 计算分析

在中性点绝缘的电力系统中，由于各相对地电容不相等（因线路排列方式造成），引起了中性点对地的位移电压[8]。中性点绝缘的等效电路如图1所示。

图1 中性点绝缘等效电路

有下列计算

式中，UX为相电压值，UP0为中性点对地位移电压。

由上式可知，当Ca＋Cb＋Cc=C0时，则上式分子z=（1+ə2+ə）C0=0。所以UP0＝0。由此可知，在中性点绝缘的电力系统中，三相不平衡相电压可由三相对地不平衡电容引起。对6～10 kV系统来说电缆线路占的比例较大，三相对地电容基本平衡，中性点位移电压较低。而对35 kV系统来说，如果架空线路占总线路长度的比例比较大并且线路没有合理换位，Ca、Cb、Cc的值也就相差比较大。有下列式子

式中，U0为网络的不对称度，其值就比较大。

2.2 本实例电压不平衡计算

由于本实例中不考虑其他引起电压不平衡的因素，即假设负荷等各种因素都平衡。仅考虑线路电压互感器的接入对电压不平衡的影响。等效电路及取值如下，图中L为母线电压互感器电感，C为线路电压互感器电容量，CL为线路对地电容。

图2 35 kV系统等效电路图

35 kV母线电压互感器阻抗为Zm=2 000 kΩ，线路电压互感器电容量C=0.01μF，假设架空线路单相对地电容为0.06μF（约15 km），忽略线路负荷影响，YA＝2.1×10－8(S)，YB＝YC＝1.8×10－8(S)，代入网络不对称度公式计算

可见电压不平衡度存在（正常时等于零）。

针对线路轻载时电压不平衡大，随着线路负荷的增长电压不平衡又逐渐减小。可做如下理解：线路轻载时，由于35 kV电源容量本身较小，靠近母线的电容式电压互感器所引起的电容效应比较明显，引起电压不平衡。随着负荷的增长电容效应随之消失，各相对地电容的不平衡成为引起母线电压不平衡的主要原因[11]。

本次分析与一般负荷不平衡、单相接地及电压互感器引起的铁磁谐振导致的电压不平衡不同，为线路电容式电压互感器的接入引起线路对地电容的不平衡所引起。

3 解决方案

本次电压不平衡主要是由于单相电容式电压互感器的接入引起线路对地电容的不平衡以及线路轻载时的电容效应所引起。可以从以下两方面考虑加以改进。

3.1 采用分相电容补偿

针对电压互感器的接入引起的线路对地电容不平衡可以通过增加分相电容的方式予以补偿[8]。即当母线电压出现不平衡时通过调节各相对地电容值使其补充单相电压互感器接入所引起的不平衡电压，通过对对地电容合适的取值，进而达到电压平衡的目的。例如通过调节分相电容值可取Ca=0.06μF保持不变，增大B、C两相对地电容值，可取Cb=Cc=0.065 μF，重新计算不对称度可得U0＝0.025，电压不平衡明显降低。

3.2 采用并联电抗器补偿

对于线路轻载时的电容效应可以采用并联电抗器来予以补偿[11]。

图3 线路末端接有并联电抗器

如图3，有

式中，K12为电压传递系数；θ＝arctan(Z/XP)；Z为线路波阻抗；α′为相位系数，对于输电线路，通常α′≈0.06°/km；l为线路的长度，km。

在线路末端接入电抗器，相当于减小了线路长度，因而降低了电压传递系数。当线路末端的并联电抗器接入后，由首端看进去的入端阻抗将增大，在欠补偿时，入端阻抗仍呈容抗性质。因此在同样的首端电压下，电容电流减小，流过电源阻抗Xs的电压下降，从而降低了首端电压，减小线路轻载时的电压不平衡。但此方法的使用还涉及到系统无功平衡、自激过电压及非全相状态下的谐振问题。因此电抗器的补偿及安装位置必须综合考虑实际系统的各种情况，最终确定合理的方案。

4 结语

本文分析了常见母线电压不平衡产生的原因及结果。重点说明了35 kV系统单相线路电压互感器接入所引起的母线电压不平衡，并且计算了其不平衡度。最后针对具体情况提出了采用分相电容及线路并联电抗器的方法予以补偿，取得了较为满意的结果。

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