变电站66kV母线三相电压不平衡研究

杨 林王 亮赵守忠李凤羽王 凯

（1.国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121001；2.国网辽宁省电力有限公司调度控制中心，沈阳 110006；3.国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121000）

变电站66kV母线三相电压不平衡研究

杨 林1王 亮2赵守忠1李凤羽1王 凯3

（1.国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121001；2.国网辽宁省电力有限公司调度控制中心，沈阳 110006；3.国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121000）

66kV电网存在三相对地参数不对称，造成母线三相电压不平衡，中性点位移电压偏高，虚幻接地，消弧线圈参数整定困难等问题。三相电压不平衡会影响变压器等设备的安全运行和正常出力，引起继电保护及安全自动装置的误动作，引起电网损耗的增加。本文从理论上分析消弧线圈对电压不平衡加重的原因，提出通过采用降低电网的不对称度、增大补偿电网的脱谐度和提高补偿电网的阻尼率3种方法，降低电网三相电压不平衡度，取得了良好的效果。

消弧线圈；三相电压不平衡；电能质量；电容电流；脱谐度

根据规程规定，66kV电网单相接地电流如果超过10A，需要采用中性点经消弧线圈接地运行方式[1]。东北电网 66kV系统，多数为架空线路电网，并且线路没有合理的换位，单相接地电容电流达到几十A、甚至100A以上，中性点位移电压较大。消弧线圈投入后，引起中性点位移电压增加，加重 66kV母线三相电压不平衡，引起虚幻接地等问题。

电压不平衡度是指三相电力系统中三相不平衡程度，即电压负序分量与正序分量的比值。GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压允许不平衡度》中规定：“在电力系统正常运行方式下，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%”[2-3]。

在一些三相电压不平衡度超标的电网中，调度员往往只能采用调整消弧线圈档位的方法，减小电网三相电压不平衡度。但仅采用该方法，会导致接地残流和脱谐度超标等问题。本文通过理论分析，确定66kV电网三相电压不平衡问题的综合解决方案。

1 三相电压不平衡的原因

中性点不直接接地电网，电网运行人员经常会遇见母线三相电压不平衡的现象。如果认识不足，往往导致误判断，延长查找故障时间，甚至引发事故。

正常性不平衡主要是由三相负载分配不平衡或线路三相对地参数不对称引起，中性点消弧线圈也会引发并加重三相电压不平衡。事故性不平衡是由于系统故障引起的，主要原因包括：单相接地、线路断线[4]、非全相运行、铁磁谐振、电压互感器高低压熔断器熔丝熔断等。

2 三相电压不平衡的危害

三相电压不平衡是一个电能质量问题，三相电压的不平衡会给电力系统和用户设备造成一系列危害，其中主要有：

1）引起变压器、发电机、电动机的附加损耗和振动，危及其安全运行，影响正常出力[2]。

2）引起继电保护及安全自动装置的误动作，对电网安全构成极大威胁。

3）引起电网损耗的增加，不平衡度越大， 线损也越大。

4）引起系统中性点位移电压增大，不利于电网安全稳定运行。

5）在低压电网中，因电压降低引起照明灯亮度不足或因电压过高而缩短其使用寿命，甚至引起用电设备损坏等。

6）三相不平衡会引起对通信的干扰。

3 消弧线圈引起三相电压不平衡分析及解决办法

DL/T 620—1997《交流电气装置过电压保护和绝缘配合》“消弧线圈接地系统，在正常情况下，中性点的长时间位移电压不应超过系统标称相电压的15%”。“消弧线圈接地系统故障点的残余电流不宜超过 10A，必要时可将系统分区运行。消弧线圈宜采用过补偿方式”[4-6]。提高残流值后，有利于消弧线圈档位远离谐振点运行，同时降低三相不平衡度。

3.1 消弧线圈并入中性点对电压的影响

由于 66kV电网三相导线排列的不对称性，即使不接消弧线圈，电网中性点也会产生位移，所以称为不对称电压Uun。当66kV电网单相接地电容电流超过10A时，需要采用消弧线圈进行补偿，将工频续流限制在合理范围内，有利于单相故障点处的电弧熄灭，减少相间短路故障跳闸的发生。如果消弧线圈档位调整不当，也会造成不利影响。消弧线圈接地系统在正常运行时的等值电路如图1所示。CA、CB、CC为三相对地电容，RA、RB、RC为三相泄漏电阻，L为消弧线圈等值电感，R为消弧线圈阻尼电阻。

图1 66kV经消弧线圈接地系统等效电路图

在将电网接入消弧线圈装置前（图1中接地刀闸 K在分位），鉴于三相线路的不对称性，在中性点将出现一个不对称电压，即

式中，UA、UB、UC为各相电压的相量值，kV；YA、YB、YC为各相对地等值电导，1/Ω；KC为电网的不对称度。

由式（1）可知，当YA、YB、YC不相等时，中性点会产生位移电压。此时，三相对地电压分别为

从式（2）可以看出，鉴于中性点不对称电压Uun的存在，使得三相对地电压偏离了对称的电源电压。在接入消弧线圈装置后（图1中刀闸K在合位上），中性点出现了位移电压，即

U0的模为

式中，KC为电网的不对称度；v为电网的脱谐度；d电网的阻尼率。

式中，v一般为5%～30%，d一般为2%～10%，由式（4）可知，U0＞Uun。可见消弧线圈对中性点处的电压有放大作用。中性点位移电压幅值的升高，将导致三相对地电压出现严重的不平衡。因此，必须限制中性点位移电压的幅值。为更好满足电能质量的要求，一般允许电压偏离5%。

由式（4）可知，中性点位移电压U0与KC、v、d有关。为减小中性点位移电压，可以采取降低电网不对称度、增大电网脱谐度和增大电网阻尼率三种方法。在电网不对称度和阻尼率一定的情况下，消弧线圈接地系统的中性点位移电压U0与脱谐度v可得出图2的关系。随着脱谐度绝对值的减小，中性点位移电压逐渐增大。当v=0（全补偿）时，U0达到最大，在曲线顶部放大倍数约为20～40倍，即使很小的不对称度也会导致极高的中性点位移电压。脱谐度越小，放大作用越强，中性点位移电压越大，三相电压不平衡度越严重。

图2U0与v的关系曲线

从式（4）中可知，在脱谐度和阻尼率较小的情况下，补偿电网的中性点位移电压会产生严重偏移，将导致三相电压出现严重的不平衡，出现U0≥15%Uph，并极可能引起系统发出接地告警信号。

3.2 降低电网的不对称度

66kV非城区电网一般采用架空线路，通常不换位，因此，电网的不对称度较大。一般情况下，架空线路不对称度KC为0.5%～2.5%。导线对地电容的大小与导线排列方式、线径、对地高度、相间距离、地面环境、空气湿度等有关。必要时应在不同的环境，不同的季节进行实际测试。

输电线路的不平衡度越小越好。降低电网的不对称度，采用线路三相轮流换位是最根本的方法。但 66kV电网线路建设时均未换位，若对线路换位改造，费用高，工期长。同塔双回线换位改造困难，短期内难以实现，而且改造会给带电作业带来困难。采用线路整体换位，即在一些线路的两侧变电站改变相序即可，该方法简单有效，可以降低电网的不对称度。研究表明，输电线路三相水平排列的不平衡度比三角排列的高。相同条件下，同塔双回输电线路在同相序排列方式下的不平衡度最大，其次是异相序排列方式，逆相序排列的线路不平衡度最小[7]。新建的 66kV长线路，不应加重电网的三相不平衡度，可以优化三相导线排列。在三相不平衡度超标的电网，可以采用线路整体换位，同塔双回线采用逆相序排列的方式，将电网不平衡度降低到最小。

随着 66kV线路变压器组接线的增多，单相电容式电压互感器在电网中使用较多，也加重三相对地电容不平衡。线路单相电容式电压互感器不宜统一装在A相，可考虑均衡装在A、B、C三相上，降低电网不平衡度。

线路可以加装电容器，使三相对地电容平衡，减小不对称性。但该方法会因电容器的存在而增加故障率，降低电网可靠性，同时给继电保护整定带来困难。因此，采用该方法降低电网不对称度不够理想。

3.3 提高补偿电网的阻尼率

补偿电网的阻尼率d定义为：线路对地泄漏电导3Y，消弧线圈阻尼电阻R的等效电导YR与电容电纳的比值，即

式中，C为线路对地总电容。

一般正常绝缘状况的架空线路阻尼率d0约为3%～5%，其中较小值为66kV电网，较大值为10～35kV电网，绝缘积污或受潮时可增大为10%；电缆线路d0约为2%～4%,绝缘老化时可增大为10%；d0与导线的排列位置无关[8-9]。

dR的大小由消弧线圈阻尼电阻R决定，目前广泛采用消弧线圈与阻尼电阻串联的方式。dR与阻尼电阻R成正比，因此，增大阻尼电阻是提高补偿电网阻尼率的有效手段。当电网的不对称度无法调整、脱谐度受残流的限制不能增大时，增加阻尼电阻是一种降低中性点位移电压的有效措施。

阻尼率d与脱谐度v一样，对电网接地残流大小和中性点位移电压都会有影响。从式（4）可知，电网结构确定后，不对称电压Uun应为一定值，增加阻尼率d可以降低中性点位移电压U0。对中性点位移电压较大的电网，提高电网阻尼率可以降低中性点位移电压，减少三相电压的不平衡度，避免电网虚假接地告警信号的发生。因此，适当增大中性点阻尼电阻值可以减少三相不平衡度。正常运行时，配置阻尼电阻应满足，中性点位移电压U0不得超过相电压的15%，可避免虚幻接地现象的发生，即

由式（7）可得

一般情况下，架空线路KC为0.5%～2.5%。考虑到最不利情况，全补偿（v=0）和不对称度最大（KC=2.5%），由上式可得

考虑到d0最小（2%）的情况，即

考虑到消弧线圈在最大感抗处（最小补偿电流）运行时，即

将阻尼电阻配置到消弧线圈最大感抗的14.7%，即使电网在不对称度最大、阻尼率最小时，也能保证中性点位移电压U0不超过相电压的15%。

3.4 增大补偿电网的脱谐度

消弧线圈参数整定需要兼顾以下3个条件：

1）有恰当的脱谐度，一般控制在5%～30%内。

2）对66kV系统，残流应控制在3～10A内。

3）在投入消弧线圈后，中性点位移电压应小于15%U相，考虑到三相电压的平衡，以小于5%U相为宜。

当电网结构一定时，由电网的不对称度KC和阻尼率d确定，由式（4）可知，增大补偿电网的脱谐度，可以降低中性点位移电压。适当调整消弧线圈档位，增大补偿电感电流，增大脱谐度，来降低中性点位移电压。增大电网脱谐度后，电网的残流也会增大，但需控制在10A以下。当系统电容电流较小（小于50A）时，取脱谐度v=20%，仍可保证残流小于10A。

根据中性点位移电压U0与脱谐度v可得出图2的关系。脱谐度增大，可以降低中性点位移电压，但脱谐度过大，将使线路接地残流太大，电弧不宜熄灭，容易引起事故扩大。因此，在满足残流要求的前提下，适当调整消弧线圈档位，加大脱谐度，可以改善三相电压不平衡度，有利于电网的安全运行。

4 结论

当电网正常运行时，应加强母线电压的监控和分析工作，及时采取措施加以解决。应从根本上消除三相电压不平衡现象，减轻三相不平衡产生的危害，降低电气设备故障率，提高电网可靠运行水平。

1）消弧线圈投入后，电网电压产生不平衡或不平衡加剧是正常现象，只要残流不超过 10A，中性点位移电压不超过15%相电压即可。

2）消弧线圈对中性点位移电压起到放大作用，补偿度越小，放大作用越强，补偿度为零时，放大倍数约为20～40倍。

3）66kV电网可以采用线路整体换位或变换架空输电线路相序排列的方法，平衡不对称电容电流，降低电网的不对称度。

4）通过增加消弧线圈装置的阻尼电阻，可以提高补偿电网的阻尼率。

5）可以采用降低电网的不对称度、增大补偿电网的脱谐度、提高补偿电网的阻尼率等3种方法，来降低电网三相电压不平衡度。

[1]DL/T 620—1997 交流电气装置过电压保护和绝缘配合[S].

[2]王代弟.配电网三相不平衡问题的分析与研究[D].沈阳：沈阳工业大学,2007.

[3]GB/T 15543—2008 电能质量三相电压允许不平衡度[S].

[4]何昌雄,唐军,陈小平,等.同祥变 35kV母线电压不平衡原因及对策分析[J].电力电容器与无功补偿,2015,36(5)：80-87.

[5]李嗣明,何婧,张熙军,等.消弧线圈投入后引起系统电压不平衡原因分析及解决办法[J].电力系统保护与控制,2008,36(24)：124-128.

[6]刘清凡.消弧线圈接入后一次系统不平衡加剧原因分析[J].继电器,2005,33(3)：79-82,88.

[7]邹林,林福昌,龙兆芝,等.输电线路不平衡度影响因素分析[J].电网技术,2008,32(2)：283-286.

[8]陈忠仁,吴维宁,陈家宏,等.补偿电网阻尼率及脱谐度的分析[J].华东电力,2005,33(3)：44-46.

[9]林志雄,陈岩,蔡金锭,等.低压配电网三相不平衡运行的影响及治理措施[J].电力科学与技术学报,2009,24(3)：63-67.

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

杨林（1983-），男，辽宁锦州人，满族，讲师，硕士，从事电网运行方面的研究与培训工作。