10kV系统的电压谐波分析

摘要：本文对10kV小电流接地系统的电压谐波，由于10kV电压互感器中性点的消谐电阻，及接地变一侧的灭弧线圈等原因，而造成的错误测试结果，进行了分析，并针对这种现象提出改进的测试方法。

1、前言

由于生产发展的需要和国家电力总公司及江苏省公司的要求，我市公司对所辖范围内的电网，配网电能质量，（电压谐波占有率）进行了一次普测、普查。

由于10kV配网系统采用了小电流接地的运行方式，10kV配网的电压互感器接线方式如图1所示。在PT的一次侧中性点到地串接一只电阻，称消谐电阻。此电阻一般由氧化锌阀片构成，在正常运行方式下，无电流通过此电阻。一次侧中心点与地等电位。近似与Y/Y型接法。而主变接线方式则是Y/Δ型接法。所以在10kV母线上并一只接地变，采用Y/Y型接法。在变一侧中心点串一只电抗器，俗称灭弧线圈。在10kV系统形成中心点接地的运行方式。

国标规定电压失谐率是相电压的谐波百分比含量做为判别限值的标准。从而规范了测试信号是相电压，与之相应的测试设备的接线方式是“Y”型接法。若取线电压为取样信号。测试设备需按“△”接法，结果将造成取样信号中的3n次谐波被抵消，抵消量大小，与3n次谐波电压与同相的基波电压相位及相电压的不平衡度有关。

在普查进程中，我们发现有6座110kV变电站中的9条10kV母线严重超标。共同特征是3次电压畸变率是造成超标的最主要因素。其余各次谐波含量不大。且占比例极低。同时所有电压谐波超标的10kV母线，电压三相不平衡度也接近或超过国标值。（国标Σu <2%）

切除变电站10kV侧的补偿电容器组，仅五次谐波有所下降，三次谐波下降量不大总畸变率仍居高不下。在10kV电源侧110kV测得，3次电压谐波仅有1%左右。而在这9条母线供电范围内，并无大型工矿企业，和大型非线性生产用户。基本负荷是大型商场、高层写字楼及居民小区。仅照明、家用电器、电梯，难以形成如此高的仅以三次谐波为主要因素的电压畸变特征。

现场使用测试设备，经校验完全符合国标规定要求，同时也达到制造厂的技术规定。

为搞清这9条10kV母线电压谐波严重超标的真正原应所在，我们运用了理论分析，现场测试二种方法。

2、理论分析

2.1谐波电流换算谐波电压法

非线性负载向电网注入的谐波电流，通过供电节点阻抗，折算成谐波电压，叠加在基波上，造成电压波形的畸变，近似的工程估算可按下式计算：

当有n个谐波源（母线电压的各条出线）。且相位不确定时：

In=In1+In2+Kn In1 In2……………………（1）

In'=In+In3+Kn In In3………………………（2）

………………………

最后得到一个母线电压上总In' 谐波电流。

K值一般可按表1取值：

表 1

3*Un*n*In

HRVn=_______________ ………………………（3）

10*Sk

式中：1.In1、In2、In3…………为谐波源的同次谐波电流值、单位：安培(A)

2.In：为母线电压上n次谐波的总电流值，单位：安培（A）

3.Un：母线电压标称值 单位千伏（kV）

4.Sk公共连接点的三相小方式短路容量，单位兆伏安（MVA）

5.n：第n次谐波。

由于超标特征集中在3次谐波上，计算颇为简单。以虎踞变为例，10kV母线上的三次谐波总电流（I3）仅有9-11安左右。经计算后，10kV侧的三次谐波含量HRV3仅有0.08-0.097%。与背景谐波相叠加后的电压总畸变率也只有1.2%-1.5%。远小于测量数据6.1%-8.1%的范围。

2.2、谐波电压渗透法：

当已知系统中某点谐波电压，要推算相邻对应的谐波电压值时，可引入“谐波电压渗透系数”的概念去推算相邻点的某等级谐波电压畸变率。

由如图2所示降压变压器，由变压器T1供给负荷F。功率因数补偿的电容器组C0上串联，a%电抗器L0。该系统的等值电路如图3所示。图中RTn、XTn为变压器的第n次谐波的等值电抗和电阻。XFn、RFn为负荷的第n次谐波等值电抗和电阻。XLn、XCn为电抗器和补偿电容的第n次谐波等值电抗。

电源侧A的第n次谐波电压UAn（%）,利用等值电路与负荷侧B的谐波电压UBn（%）关系为：

UBn = Kun * UAn

式中：Kun为谐波电压渗透系数

Zcn∥Zfn

Kun = | |

Zcn∥Zfn+ZTn

式中：Zcn = j ( Xln - Xcn );

ZTn = RTn+jXTn

式中∥符号为并联符号。

为使问题讨论简单化，同时避开补偿电容器组对第n 次谐波的放大作用，作4点假设。

切除补偿电容器组

不计变压器损耗。

系统满足Rfn》Xfn。

负荷侧无大型冲击性负载。

在这些条件均满足情况下，（实际上除第2点外，其余3点在实际测试中都具备或能做到）我们获得Kun。

验经数据如下，当n<7次，从高压电源侧到低压负荷侧的谐波电压渗透率：可取1.05%-1.17%，从低压负荷侧到高压电源侧的谐波电压渗透率可取0.83%-0.95%，取值与供电节点的短路容量，谐波次数及变压器制造工艺有关。基本趋势是，供电节点短路容量越大，(与国标谐波电流限数所确定的短路容量MVA值相比)从高压向低压渗透率，愈向1趋近。谐波次数>7，也趋近向1趋近。

仍以虎踞变为例，莫云2#(796),莫虎1#(798)两条110kV进线。电压总失谐率为0.91-1.2%，根据电压渗透原理，10kV的电压总畸变率应为：

0.91%-1.2%*（1.05%-1.17%）=0.96%-1.4%的范围之内，也远小于现场所测的6.1%-8.1%范围。

3、现场测量：

由谐波电流换算谐波电压法和谐波电压渗透法的理论分析，这6座110kV变电站10kV母线侧，PT上取样的相电压测试数据是一个错误结论。而电磁式电压互感器频率响应在50Hz-1500Hz范围内，基本上是一个线性电压传递器件。问题的焦点就集中到消谐电阻上，由氧化锌阀片构成的消谐电阻，其伏安特性是类似于稳压管的非线性特征。

短接电压互感器一次侧的消谐电阻，将10kVPT的中心点直接接地，此种工况下，应是10KV母线电压的真实电压谐波值。测试结果如表2所示。

表2

由表2可以看出，母线电压的畸变率是由消谐电阻等器件引起，运用电流、电压换算法，电压渗透法估算出的电压总含谐量和切除电容器组的测量结果较接近。

由电能质量分析仪(PS-3)，分析软件程序，打印出的3次谐波电压日变化曲线(图4所示)。虽经供电系统的峰，谷，平三个时段，但畸变率基本上是一条直线。证明了是一个稳定的畸变因素。与用户负荷无关。10kV母线却是一个在0-7%之间的稳定电压。PT中心点流过消谐电阻的电流，形成的电压，与灭弧线圈，是造成三次谐波被放大很多的最重要的原因。

图4

改进测试方法：

如图5所示，为满足国标取相电压要求，测试设备仍按“Y”型接法，但N点不接地。Uo’对地有一电压，电压是由三相另序和谐波电压（主要是3次造成）。

Uo’是一次侧的中心点，对地也有电压，而电压主要由三相不平衡量和谐波电压，主要也是3次所致。因此Uo 与Uo’是一个方向相同的电压偏差，对测试设备而言。就相对消弱和减小了因消谐电阻之故所造成的测量误差。

按此设想，仍在虎踞变，将消谐电阻短接后，投切补偿电容器组，测得的一组数据，与将消谐电阻接入电网系统，测试设备中心点悬浮，投、切补偿电容器组，所得的数据列入表3所示。

表3

从表3可明显看出，消谐电阻接入系统后，采用测试设备中心点悬浮方法所测得的数据，较为贴近实际情况，尤其在切除功率因素补偿电容器组的的工况下，这种测试方法，所得测试结果更为贴近实际。

但要特别指出的是，这种测试方法，要求测试设备电压信号通道必须隔离并且相互，无内在电气连接点。经9条母线的验证，这种接线方式测量具有很高的准确性。

3次谐波很高，是否是虚假值的论证方法有三种。方法一可把变电站所用变，（部分变电站也有将接地变当所用变供电）作为PT来取相电压。因为所用变负荷率一般不足15%，测试时最好再停用照明设备、空调直流浮充等负荷，用所用变测的电压谐波结果会略高于PT二次侧所得测试结果，若不仅不高反而低，而且低的很多，则可认为此变电站的3次谐波值是一个虚假数据。

方法二是分析3次谐波电压的日变化曲线，经峰、谷、平时间段，而畸变率基本上是直线，上下变化很小。

方法三是将被测对象的三次谐波电流值。应用谐波电流换算谐波电压法，由于虚假数据是三次谐波电压甚高粗估一下，必要时还得测试上一级电压的电压失谐率，用渗透原理所得的数据相差甚远，就可以得到正确的答案。