二滩水电站6 kV母线三相电压不平衡分析及应对措施

刘元收，甘成勇，梁浩，王伟，刘和咏

（二滩水力发电厂，四川攀枝花617100）

二滩水电站6 kV母线三相电压不平衡分析及应对措施

刘元收，甘成勇，梁浩，王伟，刘和咏

（二滩水力发电厂，四川攀枝花617100）

介绍一起典型的大型水电站在机组正常运行期间，监控系统上多次出现2号机组故障录波触发的报警，现场检查时发现厂用电电压不平衡造成该报警信号。现场对出现的602M PT发生三相电压不平衡造成故障录波装置频繁触发的事件进行了深入的分析，确定了602 M发生的电压三相不平衡即为A相间歇性虚幻接地造成的，并对发生间歇性虚幻接地的原因进行了深入讨论。最终，根据发生原因采取了相应的改进措施以应对该现象，保障厂用电的安全运行。

故障录波；厂用电；不平衡；措施

1 概述

二滩电站机变系统为发电机-变压器单元接线。厂用电系统采用6 kV、400 V两级电压供电，由厂内厂用电系统和厂外厂用电系统两部分组成，6 kV系统由601M～606M及其二次设备组成，其主电源分别取自厂高变21B～26B低压侧，取自三滩变电站的1号施工电源（滩21线）连接至6 kV 601M，取自三滩变电站的2号施工电源（滩6线）连接至6 kV606M，这两路施工电源作为电站备用电源。接线方式为单母线分段接线，母线间均有联络开关和刀闸，并配有可靠的备自投装置。

在2016年9月23日～10月16日期间，CCS多次发“二号机故障录波器触发”报警信号，现场检查为“厂高变低压侧开口三角形电压UL有效值高越限启动”信号。故障录波装置[1～2]显示为：厂用变低压侧二次电压B相降低10 V左右，C相升高10 V左右，A相基本没变，零序电压20 V左右。因厂用变低压侧三相电压和零序电压为独立通道，且计算的零序电压和直接采集的零序电压一致，因此排除装置通道原因。

2 报警原因分析

对于我厂出现的602MPT发生三相电压不平衡造成故障录波装置频繁触发的事件，分析如下：

2.1 电磁式电压互感器励磁特性不同造成输出电压不平衡

我厂6 kV母线PT采用的是3台单相三绕组电压互感器，由于长时间运行，3台电磁式电压互感器励磁特性的不同会导致输出电压不一致。在检修人员的分阶段检查测试中，已经对602PTB相和607PTC相避雷器进行了更换，未对其余相进行更换，其中602 PTB相型号与之前不相同。因此，电压互感器的励磁特性不同导致输出电压不平衡的因素是存在的。

2.2 虚幻接地现象

曾经有单位采用3个厂家生产的励磁特性不同的电压互感器构成绝缘检查装置，投入运行之后会产生虚幻接地现象。原因是3台电压互感器的激励阻抗不相等，相当于三相不对称负载，这样会使中性点产生漂移，零序电压叠加在正序的电源电压上，造成各相负载电压不平衡，在二次绕组中会出现零序电压。当激励阻抗差别不大时，只能导致输出电压稍微不平衡；当激励阻抗差别较大，并使开口三角形绕组两端的零序电压大于绝缘监察装置电压整定值，就会触发故障录波装置。

中性点不接地系统的电网属于小电流接地系统，开口三角形是指在中性点不接地系统中电压互感器三相二次绕组按三角形接线连接，但最后有一点不连上，即构成开口三角。正常情况下，开口三角上没有电压，当发生系统单相接地时，电压互感器一次绕组就会有一相上无电压，造成对应的二次绕组上也无电压，则开口三角上就会出现电压。通过检测开口三角上的电压，就可以知道高压系统是否有接地现象，这在电力系统上被称为“接地监察”。

我厂6 kV系统母线PT接线图如图1所示，其主要功能是提供准确的线电压、相电压和绝缘情况。若三相对地电压不对称，中性点对地有位移电压U0时，开口三角形绕组按变比关系反映位移电压值，触发故障录波装置启动。只要母线发生对地电压不对称而使中性点发生位移，且位移电压达到动作值，装置就会无选择性地显示及反映。除单相接地外，造成中性点发生位移的原因有很多，如铁磁谐振、负荷严重不对称等。这种由于非接地原因，导致三相电压产生较大位移电压的类似接地的现象，通常称为虚幻接地现象。

由于近期出现的故障录波装置触发时间没有周期性，而且在触发之后的一段时间内母线三相电压又能恢复正常，因此根据我厂的实际情况，在这里先将602 M发生的电压三相不平衡现象称为间歇性虚幻接地现象。

图1 6 kV母线PT接线图

根据故障录波装置前置机单元定值，厂高变低压侧三角形电压高越限幅值设定值为20 V，即当位移电压达到20 V时，故障录波装置会启动，对应的一次值可以计算：，式中N1、N2分别是一次绕组、开口三角形绕组的匝数。

由于103.92×20V=2.078kV≈2.1kV,因此当中性点位移电压达2.1 kV时，故障录波装置会触发启动，与故障录波数据吻合。

2.3 单相不完全接地

设中性点不接地系统三相对地导纳为YA、YB、YC，各相对中性点发生偏移后的d点电压和相电压分别为UAd、UBd、UCd和UAO、UBO、UCO。中性点位移电压为UOd，其电压向量图如图2所示。

图2 中性点位移电压向量图

利用基尔霍夫定律地中电流为0的关系，可得：

因此，中性点位移电压为：

将上式带入中性点位移电压公式，可得到单相接地时的UOd。

或者

分析上式可知，当Rn变化时，向量UOd始端的轨迹是以接地相相电压向量UAO为直径的位于其顺时针方向一侧的半圆，如图3所示。

图3 变化时的中性点位移的电压轨迹（以A相接地为例）

没有接地时Rn=∞，Uod=0；当发生完全接地时，Rn=0，Uod=UX（UX为相电压），即Rn从∞～0，则Uod在0～UX内变化。为分析发生单相接地故障时，各相电压大小及相互关系，引入表示接地程度的接地系数。若单相接地系数用K表示，则：

引入接地系数以后，由图4可以求出当A相接地时各相对地电压与K的函数关系为

图4 用接地系数K表示的电压向量图

为方便理解，将推导过程省略，直接给出不同的K值下,对应的UAd、UBd、UCd的轨迹关系图，如图5所示。

图5 各相对地电压和K值的关系（以A相接地为例）

根据轨迹图可以很容易看到，对于不同的Uod，C相的对地电压总是大于A相和B相的对地电压。由此可得出规律：对于中性点不接地系统，单相不完全接地时，以正序（A→B→C→A）为准，对地电压最高相的下一相为接地相。根据我厂的实际情况，查询故障录波触发波形，对地电压最高相为C相，所以可判断接地故障为下一相，即A相。我厂602 M发生的电压三相不平衡即为A相间歇性虚幻接地造成的。

3 间歇性虚幻接地原因分析

3.1 不同谐波谐振时的特点（表1）

表1 不同谐波谐振特点

根据故障录波数据，厂高变低压侧相电压和开口三角电压值变化情况，幅值较小，不满足基频、高频和分频谐振的条件，因此谐振导致虚幻接地的原因被排除。但是若同时发生多种类型谐振的情况还是值得注意。

3.2 电网三相对地电容不对称

当电网三相电源电压平衡，绝缘又未被破坏的情况下，由于CA、CB、CC不相等可产生零序电压，而在三相对地电容不平衡达到某一程度时，就会引起接地保护动作，即出现虚幻接地现象。对地电压的特点是三相电压常常各不相同，最低相电压大于0。到现在为止这个可能性是最大的。

3.3 耦合电容传递零序电压

在正常运行情况下，高压侧中性点的位移电压很小，对外界无感应，一般可以不计。但是当发生电容放电或线路中发生单相不完全接地、断线等故障时，就将出现较高的位移电压，并通过耦合电容传递给低压侧，使低压侧出现零序电压。由于它是由电容传递的，所以在电力系统中通常称为耦合电容传递零序电压。当零序位移电压达到故障录波触发值时，低压侧电压互感器就会发出虚幻接地信号。

值得注意的是，此类位移电压主要是通过变压器绕组间的电容传递，也可能通过平行线路间的电容传递，另外高压侧开关的不对称开断或较长时间的三相不同期都会产生传递过电压。根据我厂的实际情况和故障录波数据，主变高低压侧电压、电流的波形和幅值均未发生变化，高压侧开关未断开，也不存在三相不同期的情况，因此耦合传递零序电压导致电压互感器产生虚幻接地的原因被排除，但平行线路间的电容传递是值得思考的问题。

3.4 雷电感应过电压

由于中性点不接地系统的雷电感应过电压三相基本相同，将使电压互感器开口三角形绕组出现含有低频分量的电压，使故障录波触发，发出虚幻接地信号。

4 应对措施

在电网三相电源电压平衡[3]，绝缘又未被破坏的情况下，由于三相对地电容CA、CB、CC不相等而且三相电容不平衡达到一定程度时出现的虚幻接地现象，是单相不完全接地的可能性中最大的一种。其故障排除方法是：

（1）逐个排查各级负荷接地的可能；

（2）排除母线一次回路存在接地的可能；

（3）对空母线充电后，测量PT相电压、线电压及开口三角形电压，若出现相电压不平衡，则说明母线三相电容不平衡；若正常则进行下一步;

（4）逐个增加母线的各级负荷，直到查处出哪一处三相电容不平衡并进行处理，虚幻接地现象即会消失。

其他故障的排除方法需要对数据进行全面分析，再采取不同的方法。最常用的是EFD-91B接地故障探测仪,原理是采取故障相接地电容电流中含有的许多高次谐波分量产生的磁场能够被仪器接收，在仪表中显示一定量值，从而进行判断。使用该仪器可不用逐路拉闸停电来判断是哪条线路发生单相接地，以及传统的沿着每一个分支线路去盲目查找故障的方法。

[1]武汉中元华电科技有限公司.ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置技术说明书[Z],2006.

[2]武汉中元华电科技有限公司.ZH-2B嵌入式发变组故障录波分析装置技术说明书[Z],2006.

[3]罗志平，张旭宁.继电保护现场试验存在的典型问题及试验方法探讨[J].电力自动化设备，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

刘元收（1983-），男，工程师，从事水电站运行管理工作。