小电流接地系统相电压与监控屏上相电压不同分析

李井阳 王大亮 李默 李淼

(1.国网吉林省电力有限公司培训中心 2.国网长春供电公司电力调度控制中心 )

小电流接地系统相电压与监控屏上相电压不同分析

李井阳1 王大亮2 李默1 李淼1

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小电流接地系统发生单相金属性接地时，监控屏上显示的母线三相相电压由对称变成了严重不对称。并由此产生一个疑问：系统发生单相接地故障期间，相电压即使不对称三相负载亦能正常运行，是因为相电压对称的原因？对此，本文利用电路中相电压及中点位移的基本概念，根据电压互感器和三相负载在系统中的接线和运行方式，分析这两种相电压不同的原因，从而对系统中这两种相电压有一个正确的认识而不至于混淆。

电压互感器；三相负载；对地电压；两种相电压；中点位移

0 引言

小电流接地系统（简称“系统”）发生单相接地故障时，因为允许运行一段时间，这样就会有一组不对称相电压较长时间存在，即监控屏上显示的三相相电压。通过此三相相电压及其零序分量，能够正确地反映出系统单相接地故障及接地程度。但它并不能真正地反映系统中三相负载各相相电压。由于监控屏上显示的母线各相相电压即电压互感器各相相电压是简写的UA、UB、UC，所以容易与系统负载的三相相电压相混淆，并会由此产生一个疑问：系统发生单相接地故障期间，相电压即使不对称三相负载亦能正常运行，是因为相电压对称的原因？

实际上，所有负载能否正常运行都直接取决于其相电压。在线电压对称条件下，对于Δ接负载的相电压就是线电压；然而对于Y接负载，线电压对称只是其相电压对称的一个条件，其相电压对称的另一个条件是三相负载对称或满足一定的条件[1]。

在系统发生单相金属性接地故障期间，本文利用电压互感器一次绕组中性点与大地之间隔离开关的分合状态，分析两种相电压（即系统中一次设备三相负载的三相相电压与监控屏上显示的三相相电压）的不同。

1 接线形式分析

系统中所有设备首端都分别与各相母线相连接，所以所有设备同一相的首端都相当于接在同一点上，但是系统中所有设备的末端并非如此。

由变电站变压器低压侧供电的所有10kV系统、66kV系统，部分35kV系统，其一次设备中的电源侧绕组（见图1）是三角形接线；由变电站变压器中压侧供电或由发电机直接供电的电源侧绕组为Y形接线。但系统中负载侧绕组都是Y形接线[2]，且中性点都不直接接地。系统中母线上的电压互感器，不论是三相五柱式，还是由三只单相电压互感器组成的三相电压互感器，其一次绕组的末端（即中性点）正常运行时都直接接地，即Y0接线形式。现以图1所示的10kV系统为例。在10kV母线上只画出一回出线，在这回出线上也只画出一台配电变压器。

图1 10kV系统网络示意图

2 设备相电压

根据定义，电压为两点之间的电位之差。相电压定义为：每相电源或每相负载两端的电压[3]。对于三相设备（指三相电源或三相负载，下同）中每一相两端的电压，都简称为A、B、C（或a、b、c）相相电压，其他电压都需标注两个点才能确定，否则就容易与其混淆。

每相设备的相电压都是各相设备首端对末端的电压。小电流接地系统是指主变压器的中性点和三相负载的中性点都不直接接地的系统，因此，小电流接地系统相电压，就是三相设备中每相设备的首端对末端即首端对中性点（或Δ接电源的等值中性点）的电压（一种相电压）。而三相电压互感器，其Y形接线的原绕组中性点直接接地，即Y0接线，所以，此时电压互感器各相相电压就是其首端对地的电压（另一种相电压）。其10kV系统主要负载是绕组为Y形接线、中性点不接地的配电变压器高压侧。如图1所示。

3 不同运行方式相电压分析

3.1 系统正常运行时

系统正常运行时，由于负载不完全对称，所以系统中性点（指Y形接线的中性点或Δ形接线的电源等效成Y形接线的中性点）对地电压一般情况下不等于零，即系统中性点与电压互感器中性点之间有位移。这说明仪表或监控屏上显示的电压互感器测量出来的相电压，只是电压互感器本身和三相线路对地电容的三相相电压，所以，这三相相电压不能真实、准确地反映系统中三相设备的各相相电压，只是此时它们之间相差较少而已。

3.2 系统单相接地时

小电流接地系统发生单相金属性接地故障时，接地相对地电压接近零（因为非全补偿或者有负载电流，在接地相的整个线路上，只有接地点对地电压为零），非接地两相对地电压接近线电压，这三个电压仍是母线上电压互感器的三相相电压，而不是三相设备的三相相电压，否则三相设备无法继续运行。此时三相负载各相相电压的不对称程度主要取决于负载的不对称度、线路对地电容的不对称电流以及系统消弧线圈补偿等情况。

从图1中配电变压器高、低压侧实际运行情况可知，即使高压侧10kV系统发生单相金属性接地时，低压侧380V/220V负载的三相相电压也基本对称，不影响系统及负载的正常运行，否则就失去了允许单相接地运行一段时间的意义。而配电变压器一、二次绕组各相的相电压之比又都等于变比，这说明一次绕组的三相相电压也基本对称。所以，此时系统中三相设备的三相相电压与电压互感器的三相相电压完全不能等同，而且相差悬殊。

3.3 两种相电压的转换

有些10kV系统，其母线上所接电压互感器一次绕组的中性点与大地之间接有一个隔离开关，如图1或图2所示，正常运行时在合位。当系统发生单相金属性接地期间，其三相相电压值如前所叙述。

为了减少电压互感器承受线电压的时间过长造成磁路铁心过热、甚至烧毁电压互感器，在单相接地期间，配网调度需要指挥现场拉开中性点隔离开关（即零相刀闸），拉开后，监控屏上显示的三相相电压即电压互感器的三相相电压不再是3.2节的值，而是变成了基本对称的一组三相相电压，这时它们的零序分量也变得很小，所以接地报警声音也同时消失。即，若电压互感器一次绕组中性点不直接接地，在系统发生单相接地时，就不会有接地信号发出。此时电压互感器Y,y0 接线的一、二次绕组的运行方式，与配电变压器相似，即二次绕组和其负载的三相相电压不会因为中性点不接地的一次绕组所在的电气系统是否有单相接地而受到较大的影响。

由此可以得出，在系统发生单相接地故障且保持不变这个期间，系统中的三相负载相电压也不会变化，但监控屏上的三相相电压却因电压互感器一次侧中性点隔离开关的状态不同而发生了非常大的变化。所以系统中一次设备三相负载的相电压与电压互感器的三相相电压不同。

从接线形式和运行方式能够看出，虽然只分析了小电流接地系统正常运行时和单相接地时两种情况下两种相电压不等的原因，同理还能得出结论：除了正常运行时两种相电压相差很小以外，其他情况，包括电压互感器发生谐振时，这两种相电压都会相差很多。所以小电流接地系统母线上电压互感器的三相相电压及其零序分量，能够正确地反映出系统单相接地故障及接地程度，而不能代表系统中三相电源和负载的各相相电压。所以只能用于绝缘监察（接地或谐振等）。

4 中点位移

图2为图1中与10kV系统有电气直接连接设备的简图。为了分析需要，将电源侧绕组画成Y形接线（或Δ接电源等效变换成Y接电源，下同）。

图2 10kV系统电气网络连接图

根据电路中的定义：负载中点n与电源中点N电位不等的现象称为中点位移[3]。当小电流接地系统发生单相金属性接地时，如图2所示，不论系统有无消弧线圈补偿以及补偿度如何，Y形接线的负载（或电源）中性点对地电压（位移）都会接近100%相电压。但中点位移UnN却不会很大（当然与消弧线圈补偿位置及补偿度有关），都小于调度规程规定的相电压15%的要求。所以，调度规程中所说的中点位移不是指系统中性点对地电压，而是指Y接负载中性点与Y接电源中性点之间的电压，因为只有这两个中性点之间电压的大小才能说明负载的相电压是否对称，而负载（或电源）中性点对地电压（位移）无法决定三相负载相电压是否对称。

5 结束语

通过本文对10kV系统的分析可知，由于电压互感器一次绕组的中性点一直直接接地，所以，对中性点不直接接地的所有小电流接地系统，监控屏上显示的三相相电压只是电压互感器的三相相电压，而不是系统中一次设备的三相相电压，只有在系统正常运行且三相负载对称时，这两组三相相电压才相等，除此之外的任何时刻都不相等。

由于小电流接地系统三相负载基本都是星接，所以在系统发生单相接地故障时，监控屏上显示的三相相电压之间相差悬殊，而三相负载能够正常运行的主要原因仍然是三相负载的相电压接近对称。

[1]李井阳.三相三线制星接不对称负载与其对称相电压关系研究[J].东北电力大学学报,2014, 34(5)：17-19.

[2]李井阳,贾建夫,李鸿博.小电流接地系统单相接地时分析系统新观点[J].中国电力教育,2013（20）：217-218.

[3]江缉光.电路原理[M].北京：清华大学出版社,1996：428-443.

2015-10-08）