10kV電壓異常原因分析及處理措施

盧偉鈿（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東　江門　529000）

10kV電壓異常原因分析及處理措施

盧偉鈿
（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529000）

摘要：本文對電網實際運行中時常出現的10kV電壓異常現象的原因進行分類，并逐一研究分析其產生機理，從而引出處理10kV電壓異常措施的思路。

關鍵詞：電壓異常；負荷；接地；斷線；消弧線圈；諧振

0　前言

電壓的異常直接影響設備的運行技術指標、經濟指標，甚至導致用戶的用電設備無法正常工作，電網的安全與經濟運行遭至破壞。10kV母線是調度部門可以進行電壓調控的最后一級母線，也是最直接影響用戶電壓質量的母線。因此對10kV電壓異常產生的根本原因進行分析研究，對消除電壓異常和保障電網安全運行具有十分重要的意義。

1　負荷變化引起的電壓偏移

根據相關調壓原則要求：變電站和直調電廠的10kV母線正常運行方式下的電壓允許偏差為系統額定電壓的0%—+7%。而在實際電網運行中，在白天用電高峰時段，10kV母線可能低于10.0kV下限，在深夜用電低谷時段，10kV母線也可能高于10.7kV上限。

造成電網正常運行中電壓偏移的原因是不同大小的功率在電網元件中傳輸會產生不同的電壓降落。功率由系統通過110kV降壓變壓器經變壓后到達10kV母線，其等值電路圖和相量圖如圖1所示。

圖1　等值電路圖和相量圖

因此可以得出，10kV母線電壓與傳輸功率的關系公式為：

由上式可知，通過減少傳輸的有功負荷P、無功負荷Q、電阻RT和電抗XT，或者提高110kV側電壓U1的方法，可以減少電壓降落，提高10kV電壓；反之則降低10kV電壓。

由此可以得出負荷變化引起的電壓偏移的處理措施：

（1）通過增減無功功率Q，如投退并聯電容器、并聯電抗器；

（2）改變變壓器的電阻R和電抗X，如改變變壓器的分接頭，從而改變有功功率和無功功率的分布；

（3）改變上一級系統電壓U，如改變發電機、調相機的無功功率出力；

（4）特殊情況下采用調整用電負荷或限電（減少有功功率P）的方法調整電壓；

2　單相接地引起的電壓越限

10kV電網屬于中性點不直接接地系統，當發生單相接地故障時，由于與變壓器中性點不能構成短路回路，因此沒有短路電流，僅有不大的對地電容電流流過，對電氣設備基本無影響。但中性點發生偏移，對地具有電位差，其相間電壓不平衡，故障相對地電壓下降為0，非故障相對地電壓升高到線電壓，如圖2所示。

圖2　10kV電壓正常和單相接地相量圖

由圖2可見，UE為額定相電壓，10kV電網正常時，三相對地電壓大小相等，相位對稱，可以得出

當10kV電網發生單相接地（如A相接地）時，A相對地電壓為零，即=0，電源中性點電壓不再與地電位相等，而是升高到相電壓，，而B、C相對地電壓也相應地升高為線電壓，分別為

系統中出現零序電壓，其大小為相電壓，

其產生的零序電流流經接地點，其大小為非故障相產生的對地電容電流之和。雖然10kV系統單相接地時故障點電流很小，而且三相之間的線電壓仍然對稱，對負荷的供電沒有影響，允許繼續運行，但是在單相接地以后，非故障相電壓升高到線電壓，為了防止故障進一步擴大到兩點、多點接地短路，應該及時采取措施消除接地故障。

作為調度員，若現場配置接地選線裝置的，則斷開其選中的線路開關，隔離單相接地故障；若沒有配置接地選線裝置的，則根據母線電壓變化，采用“瞬停法”瞬間斷開線路開關來判斷單相接地線路；若“瞬停法”無法找到單相接地線路，則可能是兩條及以上線路同名相接地或母線單相接地，這就需要將母線上所有開關斷開，逐一合上開關來判斷接地設備。

3　消弧線圈投入引起的不平衡電壓放大

由上一節可知，當發生單相接地故障時，接地點將通過10kV電網的全部對地電容電流。如果此電容電流相當大，就會在接地點產生間歇性電弧，引起過電壓，可能會導致絕緣損壞，造成兩點或多點的接地短路，使事故擴大。因此要在中性點裝設消弧線圈，利用其感性電流補償接地故障時的容性電流，使接地故障電流減少，從而自動熄弧，保證繼續供電，如圖3所示。

圖3　中性點經消弧線圈接地電網單相接地電流分布圖

由圖3可得，消弧線圈發揮最佳作用是電網出現單相接地故障后，實現全補償，接地電容電流IC全部被消弧線圈的電感電流IL所補償，即IL=IC，通過故障點的電流為零，從而使得電弧自動熄滅，達到滅弧的目的。

而實際上，消弧線圈并沒有采用全補償的補償方式，那是因為在10kV經消弧線圈接地系統正常運行時，中性點的位移電壓U0的大小為，

上式中，d表示10kV電網的阻尼率，，表示10kV電網的脫諧度，UN為消弧線圈未投入時中性點不平衡電壓值。

由上式可見，若消弧線圈未投入前系統已經不平衡，在電網阻尼率一定的情況下，脫諧度越小，中性點電壓越高，放大作用越強，將加劇系統的不平衡。脫諧度等于零即諧振補償時，中性點電壓最高。

為了保證正常運行時中性點電壓的偏移不超過規定值，應采取避免諧振補償的措施，即盡量在較大的過補償或欠補償運行，增大脫諧度v，或者采取措施增大系統的阻尼率d。另外，在以架空線路為主的電網中，采用線路換位的措施，可以減少三相導線對地電容的不對稱度，從而減少中性點的不平衡電壓值UN。調度員若確認三相電壓不平衡過大是由于消弧線圈引起的，則應該將消弧線圈退出運行，重新整定消弧線圈的脫諧度。

4　電壓互感器斷線引起的顯示電壓失真

當電壓互感器發生斷線故障時，二次電壓輸出就會異常下降，可能會造成繼電保護或自動裝置誤動作，調度員若因為電壓顯示下降作出誤判而進行不必要的操作，可能會危及電力系統的安全穩定運行。

T在電力系統運行中，用得最廣泛的是YN-yn-d型接線的電壓互感器，如圖4所示。

圖4　YN-yn-d型接線方式

圖中，其一次線圈接成星形中性點接地，二次主線圈也接成星形中性點接地，輔助線圈接成開口三角形。這種接線方式使得二次設備既可以取得相電壓，又可以取得線電壓，還可以取得零序電壓。

當電壓互感器一次側發生熔斷故障時，若三相全部熔斷，相當于停運電壓互感器，顯然相電壓與零序電壓二次輸出皆為0；若非三相全部熔斷，相應的二次相電壓輸出為0，而由于電壓互感器一次線圈三相電壓不對稱，導致二次零序電壓輸出不為0。

這種一相電壓下降為0和零序電壓大幅升高的情況與10kV中性點不接地系統發生單相接地故障時相似，容易造成調度員的誤判。通過非故障相電壓是否升高或者是否有電壓互感器斷線信號發出來判斷究竟是電壓互感器斷線故障還是10kV系統發生單相接地故障。在確定是電壓互感器斷線故障后，調度員應該將其轉檢修處理。

5　運行操作中引起的諧振過電壓

在10kV中性點不接地系統中，容易激發起持續時間較長的鐵磁諧振過電壓，其中，最常見的是鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓，是造成事故較多的一種內部過電壓，其危害輕則使得電壓互感器熔斷器熔斷，重則燒毀電壓互感器，甚至炸毀瓷絕緣子及避雷器導致系統停運。故以此為例進行分析，如圖5所示。

圖5　鐵磁式電壓互感器正常運行等值電路和A相接地時鐵芯飽和等值電路

圖中，E為各相電源電勢，C為線路等設備的對地電容，L為電壓互感器的勵磁感抗。一般情況下，各相對地電容的容抗C小于電壓互感器的勵磁感抗L，因此整個10kV網絡對地呈容性且基本對稱。但鐵磁式電壓互感器的勵磁感抗L會隨著其通過的電流大小而變化，系統正常時，電壓互感器鐵芯處在不飽和狀態，其勵磁感抗L相應地保持常數；當系統中出現某些波動時，如電壓互感器突然合閘的巨大涌流、線路瞬間單相弧光接地等，使得電壓互感器的勵磁電流過大，鐵芯發生三相不同程度的飽和，勵磁感抗L的值隨之大大下降，以致破壞了電網的對稱，電網中性點就出現較高的位移電壓，造成鐵磁諧振過電壓。

以A相接地為例，10kV系統中非故障相（B、C相）對地電壓會升高倍，使得鐵磁式電壓互感器B、C相的鐵芯飽和，勵磁感抗L大大減少，即XL=XC，因此B、C相的負荷呈感性，可用一個等效電感來表示，而A相由于接地后電壓下降，電壓互感器的鐵芯不是運行在飽和狀態，因此A相的負荷仍呈容性，可用一個等效電容來表示，將A相接地后的等效電路進一步簡化后，

如圖6所示。

圖6　鐵磁式電壓互感器與對地電容串聯諧振等值電路

由圖6可見，顯然是一個串聯電路，若容抗等于感抗就發生串聯諧振，

因此，消除諧振的主要辦法就是要破壞產生諧振的條件，即改變系統的感抗、容抗等參數。以鐵磁式電壓互感器器為例，其采取的措施有：在電壓互感器的二次繞組開口三角處接入阻尼電阻或消諧器；在電壓互感器一次側中性點接地線上接入電阻增大阻尼；選用鐵芯不易飽和的電壓互感器等。

調度員在操作前應考慮采取防止諧振發生的措施，如母線送電時，采用線路和母線一起充電的方式，或者對母線充電前退出電壓互感器，充電正常后再投入電壓互感器，或者將變壓器中性點接地或經消弧線圈接地等。在操作過程中，若發生諧振過電壓，應當迅速合上或斷開某些設備開關，改變系統電感或電容參數，破壞諧振條件，消除諧振。

6　結語

本文將10kV電壓異常的情況分為負荷波動、單相接地、消弧線圈投入、電壓互感器熔斷及諧振五類，對其產生的機理進行逐一分析，為運行人員和調度員辨識10kV電壓異常的原因提供依據，從而提高運行人員與調度員處理10kV電壓異常的效率，保證電網安全和用戶的電壓質量。

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