10kV电压异常原因分析及处理措施
摘 要：本文对电网实际运行中时常出现的10kV电压异常现象的原因进行分类，并逐一研究分析其产生机理，从而引出处理10kV电压异常措施的思路。
关键词：电压异常；负荷；接地；断线；消弧线圈；谐振
0 前言
电压的异常直接影响设备的运行技术指标、经济指标，甚至导致用户的用电设备无法正常工作，电网的安全与经济运行遭至破坏。10kV母线是调度部门可以进行电压调控的最后一级母线，也是最直接影响用户电压质量的母线。因此对10kV电压异常产生的根本原因进行分析研究，对消除电压异常和保障电网安全运行具有十分重要的意义。
1 负荷变化引起的电压偏移
根据相关调压原则要求：变电站和直调电厂的10kV母线正常运行方式下的电压允许偏差为系统额定电压的0%―+7%。而在实际电网运行中，在白天用电高峰时段，10kV母线可能低于10.0kV下限，在深夜用电低谷时段，10kV母线也可能高于10.7kV上限。
造成电网正常运行中电压偏移的原因是不同大小的功率在电网元件中传输会产生不同的电压降落。功率由系统通过110kV降压变压器经变压后到达10kV母线，其等值电路图和相量图如图1所示。
在上图中，为归算到110kV变压器10kV侧的一次电压，为110kV变压器的二次电压，即10kV母线电压，S为传输的视在功率，为归算到110kV变压器10kV侧的传输电流，φ为与的相位差，XT为110kV变压器归算到二次侧的等值电抗，RT为110kV变压器归算到二次侧的等值电阻。
图中，就是电压降相量，即（RT+XT），将电压降相量分解为与二次电压同方向和相垂直的两个分量和。称为电压降落的纵分量，称为电压降落的横分量。而在电网实际计算中，由于电压降横分量很小，可以忽略不计，因此，其电压降可以省略简化成仅为电压降落的纵分量，以ΔU表示。由图3可得ΔU的模值为，
将、、代入上式可得，
因此可以得出，10kV母线电压与传输功率的关系公式为：
由上式可知，通过减少传输的有功负荷P、无功负荷Q、电阻RT和电抗XT，或者提高110kV侧电压U1的方法，可以减少电压降落，提高10kV电压；反之则降低10kV电压。
由此可以得出负荷变化引起的电压偏移的处理措施：
（1）通过增减无功功率Q，如投退并联电容器、并联电抗器；
（2）改变变压器的电阻R和电抗X，如改变变压器的分接头，从而改变有功功率和无功功率的分布；
（3）改变上一级系统电压U，如改变发电机、调相机的无功功率出力；
（4）特殊情况下采用调整用电负荷或限电（减少有功功率P）的方法调整电压；
2 单相接地引起的电压越限
10kV电网属于中性点不直接接地系统，当发生单相接地故障时，由于与变压器中性点不能构成短路回路，因此没有短路电流，仅有不大的对地电容电流流过，对电气设备基本无影响。但中性点发生偏移，对地具有电位差，其相间电压不平衡，故障相对地电压下降为0，非故障相对地电压升高到线电压，如图2所示。
由图2可见，UE为额定相电压，10kV电网正常时，三相对地电压大小相等，相位对称，可以得出
而零序电压，即没有零序电压，因此也没有零序电流。
当10kV电网发生单相接地（如A相接地）时，A相对地电压为零，即=0，电源中性点电压不再与地电位相等，而是升高到相电压，，而B、C相对地电压也相应地升高为线电压，分别为
系统中出现零序电压，其大小为相电压，
其产生的零序电流流经接地点，其大小为非故障相产生的对地电容电流之和。虽然10kV系统单相接地时故障点电流很小，而且三相之间的线电压仍然对称，对负荷的供电没有影响，允许继续运行，但是在单相接地以后，非故障相电压升高到线电压，为了防止故障进一步扩大到两点、多点接地短路，应该及时采取措施消除接地故障。
作为调度员，若现场配置接地选线装置的，则断开其选中的线路开关，隔离单相接地故障；若没有配置接地选线装置的，则根据母线电压变化，采用“瞬停法”瞬间断开线路开关来判断单相接地线路；若“瞬停法”无法找到单相接地线路，则可能是两条及以上线路同名相接地或母线单相接地，这就需要将母线上所有开关断开，逐一合上开关来判断接地设备。
3 消弧线圈投入引起的不平衡电压放大
由上一节可知，当发生单相接地故障时，接地点将通过10kV电网的全部对地电容电流。如果此电容电流相当大，就会在接地点产生间歇性电弧，引起过电压，可能会导致绝缘损坏，造成两点或多点的接地短路，使事故扩大。因此要在中性点装设消弧线圈，利用其感性电流补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少，从而自动熄弧，保证继续供电，如图3所示。
由图3可得，消弧线圈发挥最佳作用是电网出现单相接地故障后，实现全补偿，接地电容电流IC全部被消弧线圈的电感电流IL所补偿，即IL=IC，通过故障点的电流为零，从而使得电弧自动熄灭，达到灭弧的目的。
而实际上，消弧线圈并没有采用全补偿的补偿方式，那是因为在10kV经消弧线圈接地系统正常运行时，中性点的位移电压U0的大小为，
上式中，d表示10kV电网的阻尼率，，表示10kV电网的脱谐度，UN为消弧线圈未投入时中性点不平衡电压值。
由上式可见，若消弧线圈未投入前系统已经不平衡，在电网阻尼率一定的情况下，脱谐度越小，中性点电压越高，放大作用越强，将加剧系统的不平衡。脱谐度等于零即谐振补偿时，中性点电压最高。
为了保证正常运行时中性点电压的偏移不超过规定值，应采取避免谐振补偿的措施，即尽量在较大的过补偿或欠补偿运行，增大脱谐度v，或者采取措施增大系统的阻尼率d。另外，在以架空线路为主的电网中，采用线路换位的措施，可以减少三相导线对地电容的不对称度，从而减少中性点的不平衡电压值UN。调度员若确认三相电压不平衡过大是由于消弧线圈引起的，则应该将消弧线圈退出运行，重新整定消弧线圈的脱谐度。
4 电压互感器断线引起的显示电压失真
当电压互感器发生断线故障时，二次电压输出就会异常下降，可能会造成继电保护或自动装置误动作，调度员若因为电压显示下降作出误判而进行不必要的操作，可能会危及电力系统的安全稳定运行。
T在电力系统运行中，用得最广泛的是YN-yn-d型接线的电压互感器，如图4所示。
图中，其一次线圈接成星形中性点接地，二次主线圈也接成星形中性点接地，辅助线圈接成开口三角形。这种接线方式使得二次设备既可以取得相电压，又可以取得线电压，还可以取得零序电压。
由图4可得，二次零序电压
，其中KV为一次线圈与开口三角形辅助线圈的匝数比。在电力系统正常运行时，若电压互感器发生二次主线圈单相或多相熔断，相应的二次输出相电压为0，而由于电压互感器一次线圈三相对称，则UA+UB+UC=0，即二次零序电压Umn输出也为0。因此可以根据相电压与零序电压同时为0而判断出电压互感器二次断线故障。
当电压互感器一次侧发生熔断故障时，若三相全部熔断，相当于停运电压互感器，显然相电压与零序电压二次输出皆为0；若非三相全部熔断，相应的二次相电压输出为0，而由于电压互感器一次线圈三相电压不对称，导致二次零序电压输出不为0。
这种一相电压下降为0和零序电压大幅升高的情况与10kV中性点不接地系统发生单相接地故障时相似，容易造成调度员的误判。通过非故障相电压是否升高或者是否有电压互感器断线信号发出来判断究竟是电压互感器断线故障还是10kV系统发生单相接地故障。在确定是电压互感器断线故障后，调度员应该将其转检修处理。
5 运行操作中引起的谐振过电压
在10kV中性点不接地系统中，容易激发起持续时间较长的铁磁谐振过电压，其中，最常见的是铁磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压，是造成事故较多的一种内部过电压，其危害轻则使得电压互感器熔断器熔断，重则烧毁电压互感器，甚至炸毁瓷绝缘子及避雷器导致系统停运。故以此为例进行分析，如图5所示。
图中，E为各相电源电势，C为线路等设备的对地电容，L为电压互感器的励磁感抗。一般情况下，各相对地电容的容抗C小于电压互感器的励磁感抗L，因此整个10kV网络对地呈容性且基本对称。但铁磁式电压互感器的励磁感抗L会随着其通过的电流大小而变化，系统正常时，电压互感器铁芯处在不饱和状态，其励磁感抗L相应地保持常数；当系统中出现某些波动时，如电压互感器突然合闸的巨大涌流、线路瞬间单相弧光接地等，使得电压互感器的励磁电流过大，铁芯发生三相不同程度的饱和，励磁感抗L的值随之大大下降，以致破坏了电网的对称，电网中性点就出现较高的位移电压，造成铁磁谐振过电压。
以A相接地为例，10kV系统中非故障相（B、C相）对地电压会升高倍，使得铁磁式电压互感器B、C相的铁芯饱和，励磁感抗L大大减少，即XL=XC，因此B、C相的负荷呈感性，可用一个等效电感来表示，而A相由于接地后电压下降，电压互感器的铁芯不是运行在饱和状态，因此A相的负荷仍呈容性，可用一个等效电容来表示，将A相接地后的等效电路进一步简化后，如图6所示。 （下转第178页）
（上接第140页）
由图6可见，显然是一个串联电路，若容抗等于感抗就发生串联谐振，即，
因此，消除谐振的主要办法就是要破坏产生谐振的条件，即改变系统的感抗、容抗等参数。以铁磁式电压互感器器为例，其采取的措施有：在电压互感器的二次绕组开口三角处接入阻尼电阻或消谐器；在电压互感器一次侧中性点接地线上接入电阻增大阻尼；选用铁芯不易饱和的电压互感器等。
调度员在操作前应考虑采取防止谐振发生的措施，如母线送电时，采用线路和母线一起充电的方式，或者对母线充电前退出电压互感器，充电正常后再投入电压互感器，或者将变压器中性点接地或经消弧线圈接地等。在操作过程中，若发生谐振过电压，应当迅速合上或断开某些设备开关，改变系统电感或电容参数，破坏谐振条件，消除谐振。
6 结语
本文将10kV电压异常的情况分为负荷波动、单相接地、消弧线圈投入、电压互感器熔断及谐振五类，对其产生的机理进行逐一分析，为运行人员和调度员辨识10kV电压异常的原因提供依据，从而提高运行人员与调度员处理10kV电压异常的效率，保证电网安全和用户的电压质量。
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