一起 6kV不接地系统三相电压不平衡故障处理与分析

一起 6kV不接地系统三相电压不平衡故障处理与分析

杜科

神华鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯 017209

【摘要】某厂6kV变电所6kVⅡ段发生三相对地电压不平衡故障，如果不能得到尽快处理，可能诱发严重电气事故，通过逐个瞬停负荷方式排查故障回路，最终发现故障点在一台中压电机开关C相未断开，导致系统三相容抗严重不平衡，引起中性点电压偏移，继而引发系统三相对地电压不平衡。本文详细介绍了故障处理过程，分析计算了不同工况下三相电容不平衡对三相电压的影响差异，为排除和分析类似三相电压不平衡故障提供了有益的解决思路和理论支撑，并提出了相应的防范措施。

关键词：不接地系统；三相电压不平衡；电容不平衡

1.系统运行方式与带载情况

某厂6kV变电所有2段6kV母线，单母分段运行，中性点不接地系统。6kVⅡ段带有负载有1组3000kVar电容器、3台1600kVA变压器、3台2000kW循环风机、3台900kW磨煤机、1台1600kW溢流型磨煤机、1台1250kW循环风机、1台500kW球磨机、1台400kW球磨机风机、1台280kW胶带输送机等共15个回路。

2.故障现象

某日17:10分，该变电所运行人员巡检发现6kVⅡ段母线PT柜微机消谐装置显示电压频率为50Hz,开口电压值14V（正常为0-2V左右），同时检查发现母线三相对地电压不平衡：A相3.945kV，B相3.941kV，C相3.169kV（正常时三相对地电压均为3.6kV）。此时电压无波动及谐振现象，三相线电压平衡，均为6.3kV。

3.故障处理过程

运行人员立即汇报技术主管，并协助处理故障。

17：30分，运行人员测量PT二次电压，其值分别为：A相65.7V，B相65.7V，C相52.8V，与表计显示一次侧三相对地电压相符。线电压均为105V。由此证明PT二次系统正常，系统电压不平衡确实存在于一次系统。

17：45分，运行人员联系工艺将6kVⅡ段负荷切换至6kVⅠ段运行，退出6kVⅡ段PT，此时系统三相对地电压依然不平衡，A相3.7kV，B相3.7kV，C相3.4kV。检查6kVⅡ段PT一次、二次保险接通，且阻值正常。二次绕组阻值及绝缘正常。由此排除6kVⅡ段PT一次、二次故障。

18:10分，分6kVⅡ段进线开关，三相相对地电压不平衡现象依然存在。为避免故障扩大，恢复6kV正常单母分段运行方式。为排除6kVⅡ段馈线故障，逐一拉开7台运行设备断路器，并随即恢复运行。故障仍然存在。

19:10分，工艺通过DCS远程将两台高压电机开关退出运行。三相电压不平衡加剧，A相4.9kV，B相4.9kV，C相1.7kV。Ⅱ段PT柜消谐装置报接地故障，电压频率为50Hz,开口电压值58V。同时，小电流接地选线装置报“Ⅱ段母线、4#变压器馈线”接地故障，再次拉开4#变压器断路器，故障依旧存在。

19:20分，工艺DCS远程合6218回路高压电机开关（500kW球磨机），三相电压恢复平衡。此时故障消失。

次日11：20分，值班人员再次发现6kVⅡ段三相电压不平衡，A相4.9kV，B相4.9kV，C相1.7kV。PT柜消谐装置报“接地故障”，电压频率为50Hz,开口电压值58V。

11：40分，经电气调度和工艺允许后，值班人员转移6kVⅡ段所有负载，倒空6kVⅡ段母线，并将所有开关柜停电。对6kVⅡ段母线测试绝缘，三相对地值均为2.57TΩ。拆开高压带电显示接地端，并悬空，断开所有母线与避雷器连接线，对6kVⅡ段母线实施26kV工频交流耐压试验,A、B相全部合格，C相因泄露电流过大，无法升压，初步判断故障存在于6kVⅡ段C相。

12：10分，逐一将6kVⅡ段所有断路器拉至检修位，并对6kVⅡ段母线实施26kV工频交流耐压试验。当6218回路（500kW球磨机）开关断路器拉至检修位时，6kVⅡ段母线交流耐压试验合格。拉出6218断路器单独做交流工频耐压，整体对地耐压合格，A、B相动静触头之间耐压合格，但C相泄流电流大，无法升压。测量C相动静触头电阻值仅0.2欧姆，动静触头已经完全导通。技术人员对该故障断路器进行反复手动分合闸试验，结果发现试验过程中，C相绝缘拉杆几乎没有上下位移动作，进一步证明了C相动静触头已熔接粘连。

4.故障原因分析

本次故障是由于断路器单相无法断开，造成三相对地电容不平衡。对地电容由电力线路（电缆线路、架空线路）和电气设备（发电机、电动机、变压器、断路器）两部分构成。电力电缆的对地电容要比等长度、等截面的架空线路对地电容大得多，比电力设备的对地电容更大。因此，在工程计算当中，常忽略电力设备电容电流。在计算6kVⅡ段系统电容时，仅考虑电力电缆三相对地电容。

图一 中性点不接地系统三相对地电容原理图

故障发生时，6kVⅡ段带载4台高压电机与3台变压器，其余负载包括电容器均退出运行。具体参数如下：1台磨煤机、1台球磨机风机、1台胶带输送机、1台循环风机。其中，循环风机电缆型号为ZR-YJV-6/6kV-3x150，长度为125米。其余7台设备电缆型号均为ZR-YJV-6/6kV-3x95，电缆长度共为850米。

其中，6218故障回路电机电缆型号为ZR-YJV-6/6kV-3x95，电缆长度为174米。该回路因断路器C相动静触头粘连，系统电压通过断路器C相连接电机绕组，并通过电机绕组反送电至该电机的A相、B相两相电缆。因此，故障发生时，该回路C相所带电缆实际长度为174x3=522米，A相、B相电缆长度为0米。查相关资料，ZR-YJV-6/6kV-3x95型单相电缆电容值为0.310uF/km，ZR-YJV-6/6kV-3x150型单相电缆电容值0.358uF/km。

据此可计算出故障时6kVⅡ段系统三相对地电容值为：

图二 不接地系统中性点电压偏移图

在中性点不接地系统中，有中性点位移电压公式：

（3）

依据公式可推导出中性点位移电压与电容关系式，推导过程如下：

（4）

式中， 代表系统三相电压不平衡度，以 为角度基准。据此，可计算出系统电压不平衡度 、中性点偏移电压 以及中性点偏移后的三相电压 、 、 。

（5）

通过以上计算，清楚了系统三相对地电容与中性点偏移电压之间的数学关系，并验证了故障初次发生时的不平衡电压，证明了电力电缆三相对地电容不平衡是影响系统三相对地电压的主要因素。

5.判断系统三相对地电容不平衡的方法：

能够引起中性点不接地系统三相电压不平衡的原因有很多，归纳起来大致有四类：电压互感器一次或二次回路问题、系统谐振、单相接地故障、三相负载不平衡。当系统出现三相电压不平衡信号后，首先要根据小电流接地选线装置报警信息排除单相接地故障。其次要验证电压互感器一次和二次保险是否烧毁或者熔断。然后要通过改变系统感性和容性负载排除系统谐振。最后要考虑排除三相负载不平衡或者断线引起的负载不平衡故障。

如果是系统三相对地电容不平衡或系统谐振引起的电压不平衡，则可以通过改变系统三相对地电容来破坏故障生成环境，例如投入电容器组的方法。根据电力电容器工作电压与电容器容量的关系式：

（10）

计算出6kVⅡ段3000kVar电容器单相电容值为：

投入电容器后，6kVⅡ段系统三相对地电容值为：

投入电容器后，中性点偏移电压为：

由计算结果可知，一旦投入电容器后，中性点偏移电压几乎为0，则三相系统电压恢复平衡。如果投入电容器后，系统三相电压依旧不平衡，则可基本排除三相电容不平衡或系统谐振因素，则考虑是电压互感器一次或二次回路问题、单相接地故障等缘故。

在排除因三相负载不平衡，如三相对地电容不平衡时，要仔细查看故障发生前后的启停机信息。尤其是当系统电压突然重新恢复平衡时，一定要找到引起三相电压不平衡的关联启停事件。本例中，断路器首次故障时，正是因工艺远程将6218回路开关停机时发生的，而当工艺再次远程合上6218开关时，三相电压恢复平衡。但6kVⅡ段PT柜微机消谐装置报“接地故障”及三相电压失衡，容易误导是系统发生“真接地”。如果技术人员能够综合分析以上信息，并能够排除干扰信息，做出准确判断，更快速更准确地发现故障原因。

6.三相电容不平衡的极端情况推演：

在断路器单相无法正常断开的故障中，如本例中 ，三相电压不平衡度公式可以表示如下：

（15）

通过计算投入电容器组前后的电压不平衡度，发现不平衡度公式的分子是由不平衡电容的差值决定，在特定三相电容不平衡情况下，其值是保持不变的。但分母大小是随着总负荷的变化而变化的。总负荷越大，总电容越大，不平衡电压越小。总负荷越小，总电容越小，则不平衡电压越大。当6kVⅠ段与Ⅱ段并列运行或6kVⅡ段母线负载增加时，尤其是当电容器组投入时，电压不平衡度会明显减小，甚至减小为零。当6kVⅡ段母线空载运行时，三相不平衡电压将达到最大。

此时，系统电容全部来自故障断路器所带电缆，即C相电缆522米，A相、B相电缆0米，则根据电力电缆对地电容公式计算电容值如下：

则电压不平衡度、中性点偏移电压、三相对地电压计算如下：

（18）

（19）

由计算结果可知，此时C相电压为零，其他两相电压升高至线电压水平。系统三相电压与单相金属性接地故障现象相似，达到了极其危险的运行工况。

7.断路器单相无法断开危害及应对方法：

断路器单相无法正常断开，如长时间未发现或未处理的情况下，根据之前的计算表明，当6kVⅡ段母线空载运行时，三相不平衡电压将达到单相接地的水平。极有可能造成6kVⅡ段系统的高压电缆、母线、电机绕组、电容器、进线变压器低压侧绕组绝缘击穿，造成系统接地或者短路事故，也会造成PT铁芯饱和烧毁甚至爆炸事故。为应对此类事故的发生，可采取以下措施降低故障发生率。

（1）缩短真空断路器检修试验周期。针对故障频发类型真空断路器，尤其是使用年限较长的真空断路器，应缩短其交流耐压周期。可邀请厂家对断路器灭弧室真空度、主触头开距、触头磨损量、操作传动机构等内容进行专业检查。

（2）增加因保护动作断路器的试验。断路器只要切断短路故障电流，即继电保护动作，就要对其实施交流耐压试验，同时进行继电保护试验，确保断路器能够正常动作，不误动，不拒动。没有进行试验前或试验不合格不能投入使用。

（3）提高故障综合分析研判能力。在系统发生三相电压不平衡故障时，因仔细梳理事故发生前后的启停机信息细节，准确区分和排查电压互感器、系统谐振、单相接地、三相负载部队称等可能引起系统三相电压不平衡的因素。

（4）采用质量更加可靠的开关柜。本例中变电所采用的是镇江伊顿6kV开关柜，运行已逾12年，故障频发，常发生断路器机械机构卡滞、分合闸线圈烧毁等故障。在资金允许条件下，建议采用质量更加可靠、安全系数更高的开关柜。

8.结语

本文介绍的引起6kV三相系统电压不平衡的根源是断路器一相无法正常断开，引起系统三相电容失衡，导致三相电压不平衡，并可能引发局部绝缘击穿，造成单相接地或者多相接地故障。造成6kV系统三相电压不平衡的原因有很多种，如何准确快速发现真正故障原因，是考验电气技术人员综合研判处置故障的技术难题。尤其要注意区分单相接地与三相电容不平衡故障，为安全起见需在2两小时内处理完毕，否则应做好系统停电处理准备。另外，单相弧光接地时，系统电压会波动。单相金属性接地时，则其接地相相电压降为零，另外两相相电压升至线电压。这也是区分三相电容不平衡与单相接地、系统谐振的一个重要判据。请电气技术同仁务必高度重视三相电容不平衡引起的三相相电压不平衡故障，并引以为鉴，确保在同类故障发生时，能够准确快速排除故障，以免造成更大不必要损失。

参考文献

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