10kV電壓異常原因分析及處理措施

盧偉鈿（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東　江門(mén)　529000）

10kV電壓異常原因分析及處理措施

盧偉鈿
（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東江門(mén)529000）

摘要：本文對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中時(shí)常出現(xiàn)的10kV電壓異?，F(xiàn)象的原因進(jìn)行分類，并逐一研究分析其產(chǎn)生機(jī)理，從而引出處理10kV電壓異常措施的思路。

關(guān)鍵詞：電壓異常；負(fù)荷；接地；斷線；消弧線圈；諧振

0　前言

電壓的異常直接影響設(shè)備的運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，甚至導(dǎo)致用戶的用電設(shè)備無(wú)法正常工作，電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行遭至破壞。10kV母線是調(diào)度部門(mén)可以進(jìn)行電壓調(diào)控的最后一級(jí)母線，也是最直接影響用戶電壓質(zhì)量的母線。因此對(duì)10kV電壓異常產(chǎn)生的根本原因進(jìn)行分析研究，對(duì)消除電壓異常和保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1　負(fù)荷變化引起的電壓偏移

根據(jù)相關(guān)調(diào)壓原則要求：變電站和直調(diào)電廠的10kV母線正常運(yùn)行方式下的電壓允許偏差為系統(tǒng)額定電壓的0%—+7%。而在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，在白天用電高峰時(shí)段，10kV母線可能低于10.0kV下限，在深夜用電低谷時(shí)段，10kV母線也可能高于10.7kV上限。

造成電網(wǎng)正常運(yùn)行中電壓偏移的原因是不同大小的功率在電網(wǎng)元件中傳輸會(huì)產(chǎn)生不同的電壓降落。功率由系統(tǒng)通過(guò)110kV降壓變壓器經(jīng)變壓后到達(dá)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(guān)系公式為：

由上式可知，通過(guò)減少傳輸?shù)挠泄ω?fù)荷P、無(wú)功負(fù)荷Q、電阻RT和電抗XT，或者提高110kV側(cè)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(fù)荷變化引起的電壓偏移的處理措施：

（1）通過(guò)增減無(wú)功功率Q，如投退并聯(lián)電容器、并聯(lián)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(wú)功功率的分布；

（3）改變上一級(jí)系統(tǒng)電壓U，如改變發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)的無(wú)功功率出力；

（4）特殊情況下采用調(diào)整用電負(fù)荷或限電（減少有功功率P）的方法調(diào)整電壓；

2　單相接地引起的電壓越限

10kV電網(wǎng)屬于中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于與變壓器中性點(diǎn)不能構(gòu)成短路回路，因此沒(méi)有短路電流，僅有不大的對(duì)地電容電流流過(guò)，對(duì)電氣設(shè)備基本無(wú)影響。但中性點(diǎn)發(fā)生偏移，對(duì)地具有電位差，其相間電壓不平衡，故障相對(duì)地電壓下降為0，非故障相對(duì)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(jiàn)，UE為額定相電壓，10kV電網(wǎng)正常時(shí)，三相對(duì)地電壓大小相等，相位對(duì)稱，可以得出

當(dāng)10kV電網(wǎng)發(fā)生單相接地（如A相接地）時(shí)，A相對(duì)地電壓為零，即=0，電源中性點(diǎn)電壓不再與地電位相等，而是升高到相電壓，，而B(niǎo)、C相對(duì)地電壓也相應(yīng)地升高為線電壓，分別為

系統(tǒng)中出現(xiàn)零序電壓，其大小為相電壓，

其產(chǎn)生的零序電流流經(jīng)接地點(diǎn)，其大小為非故障相產(chǎn)生的對(duì)地電容電流之和。雖然10kV系統(tǒng)單相接地時(shí)故障點(diǎn)電流很小，而且三相之間的線電壓仍然對(duì)稱，對(duì)負(fù)荷的供電沒(méi)有影響，允許繼續(xù)運(yùn)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(jìn)一步擴(kuò)大到兩點(diǎn)、多點(diǎn)接地短路，應(yīng)該及時(shí)采取措施消除接地故障。

作為調(diào)度員，若現(xiàn)場(chǎng)配置接地選線裝置的，則斷開(kāi)其選中的線路開(kāi)關(guān)，隔離單相接地故障；若沒(méi)有配置接地選線裝置的，則根據(jù)母線電壓變化，采用“瞬停法”瞬間斷開(kāi)線路開(kāi)關(guān)來(lái)判斷單相接地線路；若“瞬停法”無(wú)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，逐一合上開(kāi)關(guān)來(lái)判斷接地設(shè)備。

3　消弧線圈投入引起的不平衡電壓放大

由上一節(jié)可知，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地點(diǎn)將通過(guò)10kV電網(wǎng)的全部對(duì)地電容電流。如果此電容電流相當(dāng)大，就會(huì)在接地點(diǎn)產(chǎn)生間歇性電弧，引起過(guò)電壓，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞，造成兩點(diǎn)或多點(diǎn)的接地短路，使事故擴(kuò)大。因此要在中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈，利用其感性電流補(bǔ)償接地故障時(shí)的容性電流，使接地故障電流減少，從而自動(dòng)熄弧，保證繼續(xù)供電，如圖3所示。

圖3　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地電流分布圖

由圖3可得，消弧線圈發(fā)揮最佳作用是電網(wǎng)出現(xiàn)單相接地故障后，實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償，接地電容電流IC全部被消弧線圈的電感電流IL所補(bǔ)償，即IL=IC，通過(guò)故障點(diǎn)的電流為零，從而使得電弧自動(dòng)熄滅，達(dá)到滅弧的目的。

而實(shí)際上，消弧線圈并沒(méi)有采用全補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償方式，那是因?yàn)樵?0kV經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)的位移電壓U0的大小為，

上式中，d表示10kV電網(wǎng)的阻尼率，，表示10kV電網(wǎng)的脫諧度，UN為消弧線圈未投入時(shí)中性點(diǎn)不平衡電壓值。

由上式可見(jiàn)，若消弧線圈未投入前系統(tǒng)已經(jīng)不平衡，在電網(wǎng)阻尼率一定的情況下，脫諧度越小，中性點(diǎn)電壓越高，放大作用越強(qiáng)，將加劇系統(tǒng)的不平衡。脫諧度等于零即諧振補(bǔ)償時(shí)，中性點(diǎn)電壓最高。

為了保證正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)電壓的偏移不超過(guò)規(guī)定值，應(yīng)采取避免諧振補(bǔ)償?shù)拇胧?，即盡量在較大的過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償運(yùn)行，增大脫諧度v，或者采取措施增大系統(tǒng)的阻尼率d。另外，在以架空線路為主的電網(wǎng)中，采用線路換位的措施，可以減少三相導(dǎo)線對(duì)地電容的不對(duì)稱度，從而減少中性點(diǎn)的不平衡電壓值UN。調(diào)度員若確認(rèn)三相電壓不平衡過(guò)大是由于消弧線圈引起的，則應(yīng)該將消弧線圈退出運(yùn)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(dāng)電壓互感器發(fā)生斷線故障時(shí)，二次電壓輸出就會(huì)異常下降，可能會(huì)造成繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，調(diào)度員若因?yàn)殡妷猴@示下降作出誤判而進(jìn)行不必要的操作，可能會(huì)危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

T在電力系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)接地，二次主線圈也接成星形中性點(diǎn)接地，輔助線圈接成開(kāi)口三角形。這種接線方式使得二次設(shè)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(dāng)電壓互感器一次側(cè)發(fā)生熔斷故障時(shí)，若三相全部熔斷，相當(dāng)于停運(yùn)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(yīng)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(duì)稱，導(dǎo)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(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)相似，容易造成調(diào)度員的誤判。通過(guò)非故障相電壓是否升高或者是否有電壓互感器斷線信號(hào)發(fā)出來(lái)判斷究竟是電壓互感器斷線故障還是10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障。在確定是電壓互感器斷線故障后，調(diào)度員應(yīng)該將其轉(zhuǎn)檢修處理。

5　運(yùn)行操作中引起的諧振過(guò)電壓

在10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，容易激發(fā)起持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的鐵磁諧振過(guò)電壓，其中，最常見(jiàn)的是鐵磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過(guò)電壓，是造成事故較多的一種內(nèi)部過(guò)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(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)。故以此為例進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5　鐵磁式電壓互感器正常運(yùn)行等值電路和A相接地時(shí)鐵芯飽和等值電路

圖中，E為各相電源電勢(shì)，C為線路等設(shè)備的對(duì)地電容，L為電壓互感器的勵(lì)磁感抗。一般情況下，各相對(duì)地電容的容抗C小于電壓互感器的勵(lì)磁感抗L，因此整個(gè)10kV網(wǎng)絡(luò)對(duì)地呈容性且基本對(duì)稱。但鐵磁式電壓互感器的勵(lì)磁感抗L會(huì)隨著其通過(guò)的電流大小而變化，系統(tǒng)正常時(shí)，電壓互感器鐵芯處在不飽和狀態(tài)，其勵(lì)磁感抗L相應(yīng)地保持常數(shù)；當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)某些波動(dòng)時(shí)，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(lì)磁電流過(guò)大，鐵芯發(fā)生三相不同程度的飽和，勵(lì)磁感抗L的值隨之大大下降，以致破壞了電網(wǎng)的對(duì)稱，電網(wǎng)中性點(diǎn)就出現(xiàn)較高的位移電壓，造成鐵磁諧振過(guò)電壓。

以A相接地為例，10kV系統(tǒng)中非故障相（B、C相）對(duì)地電壓會(huì)升高倍，使得鐵磁式電壓互感器B、C相的鐵芯飽和，勵(lì)磁感抗L大大減少，即XL=XC，因此B、C相的負(fù)荷呈感性，可用一個(gè)等效電感來(lái)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(yùn)行在飽和狀態(tài)，因此A相的負(fù)荷仍呈容性，可用一個(gè)等效電容來(lái)表示，將A相接地后的等效電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化后，

如圖6所示。

圖6　鐵磁式電壓互感器與對(duì)地電容串聯(lián)諧振等值電路

由圖6可見(jiàn)，顯然是一個(gè)串聯(lián)電路，若容抗等于感抗就發(fā)生串聯(lián)諧振，

因此，消除諧振的主要辦法就是要破壞產(chǎn)生諧振的條件，即改變系統(tǒng)的感抗、容抗等參數(shù)。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(kāi)口三角處接入阻尼電阻或消諧器；在電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)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(diào)度員在操作前應(yīng)考慮采取防止諧振發(fā)生的措施，如母線送電時(shí)，采用線路和母線一起充電的方式，或者對(duì)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(diǎn)接地或經(jīng)消弧線圈接地等。在操作過(guò)程中，若發(fā)生諧振過(guò)電壓，應(yīng)當(dāng)迅速合上或斷開(kāi)某些設(shè)備開(kāi)關(guān)，改變系統(tǒng)電感或電容參數(shù)，破壞諧振條件，消除諧振。

6　結(jié)語(yǔ)

本文將10kV電壓異常的情況分為負(fù)荷波動(dòng)、單相接地、消弧線圈投入、電壓互感器熔斷及諧振五類，對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行逐一分析，為運(yùn)行人員和調(diào)度員辨識(shí)10kV電壓異常的原因提供依據(jù)，從而提高運(yùn)行人員與調(diào)度員處理10kV電壓異常的效率，保證電網(wǎng)安全和用戶的電壓質(zhì)量。

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