劉元收，甘成勇，梁浩，王偉，劉和詠

（二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花617100）

二灘水電站6 kV母線三相電壓不平衡分析及應(yīng)對措施

劉元收，甘成勇，梁浩，王偉，劉和詠

（二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花617100）

介紹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)場檢查時發(fā)現(xiàn)廠用電電壓不平衡造成該報警信號。現(xiàn)場對出現(xiàn)的602M PT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602 M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，并對發(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，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

二灘電站機變系統(tǒng)為發(fā)電機-變壓器單元接線。廠用電系統(tǒng)采用6 kV、400 V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，6 kV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6 kV 601M，取自三灘變電站的2號施工電源（灘6線）連接至6 kV606M，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～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“廠高變低壓側(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[1～2]顯示為：廠用變低壓側(cè)二次電壓B相降低10 V左右，C相升高10 V左右，A相基本沒變，零序電壓20 V左右。因廠用變低壓側(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602MPT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，分析如下：

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6 kV母線PT采用的是3臺單相三繞組電壓互感器，由于長時間運行，3臺電磁式電壓互感器勵磁特性的不同會導致輸出電壓不一致。在檢修人員的分階段檢查測試中，已經(jīng)對602PTB相和607PTC相避雷器進行了更換，未對其余相進行更換，其中602 PTB相型號與之前不相同。因此，電壓互感器的勵磁特性不同導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3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3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”。

我廠6 kV系統(tǒng)母線PT接線圖如圖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。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正常，因此根據(jù)我廠的實際情況，在這里先將602 M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。

圖1 6 kV母線PT接線圖

根據(jù)故障錄波裝置前置機單元定值，廠高變低壓側(cè)三角形電壓高越限幅值設(shè)定值為20 V，即當位移電壓達到20 V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2.1 kV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

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：

將上式帶入中性點位移電壓公式，可得到單相接地時的UOd。

或者

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）

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

圖4 用接地系數(shù)K表示的電壓向量圖

為方便理解，將推導過程省略，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5 各相對地電壓和K值的關(guān)系（以A相接地為例）

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相的對地電壓。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。我廠602 M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

3.1 不同諧波諧振時的特點（表1）

表1 不同諧波諧振特點

根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)，廠高變低壓側(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，因此諧振導致虛幻接地的原因被排除。但是若同時發(fā)生多種類型諧振的情況還是值得注意。

3.2 電網(wǎng)三相對地電容不對稱

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、斷線等故障時，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

在電網(wǎng)三相電源電壓平衡[3]，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，是單相不完全接地的可能性中最大的一種。其故障排除方法是：

（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PT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，直到查處出哪一處三相電容不平衡并進行處理，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。

[1]武漢中元華電科技有限公司.ZH-3嵌入式電力故障錄波分析裝置技術(shù)說明書[Z],2006.

[2]武漢中元華電科技有限公司.ZH-2B嵌入式發(fā)變組故障錄波分析裝置技術(shù)說明書[Z],2006.

[3]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.

TM645.1+1

B

1672-5387（2017）04-0029-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.008

2017-02-14

劉元收（1983-），男，工程師，從事水電站運行管理工作。