一起110 kV電壓互感器二次側電壓異常案例檢查分析

黃照廳 丁冉 朱皓

【摘 要】文章闡述了一起現場電壓互感器二次側電壓異常案例現象，即單母分段主接線母線并列運行時，110 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器二次電壓出現較大差異，Ⅰ母三相電壓正常，Ⅱ母三相電壓偏高，并且從故障錄波裝置分析發現Ⅱ母電壓發生畸變，含較高的三次諧波分量。文章介紹了該二次電壓異常檢查處理思路，同時根據現場電壓異常數據，定性分析該二次電壓異常產生的原因。

【關鍵詞】二次電壓;中性線;三次諧波

【中圖分類號】TM451 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0053-05

0 引言

目前，變電站主要通過采集電壓互感器二次繞組電壓實現對高壓系統電壓的監測，保護裝置、測控裝置、電能表等二次設備也依托該二次電壓實現自身功能。由文獻[1-3]可知，如果電壓互感器不能準確傳變一次設備電壓，可能導致電能表計量不準確、測控裝置誤發信號、保護裝置不正確動作。在電壓互感器本身符合國家標準時，二次回路的可靠接線是一次系統電壓能夠準確傳變十分重要的因素。

本文以110 kV鳳凰變電站發生的一起現場電壓互感器二次側電壓異常案例為例，結合故障錄波數據及其典型特征，介紹電壓互感器二次側電壓異常時的一種檢查處理思路，并對該二次電壓異常現象的原因進行詳細分析和探討。

1 PT二次電壓異常相關情況介紹

110 kV鳳凰變電站110 kV側為單母分段主接線，Ⅱ母帶110 kV水鳳線、110 kV明鳳線運行，其主接線圖如圖1所示。

110 kV鳳凰變電站110 kV側母線并列運行的時候，110 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器二次電壓波形出現較大差異，從故障錄波裝置調取110 kVⅠ、Ⅱ母二次電壓波形圖如圖2所示。

從圖1可以看出，Ⅰ母三相電壓峰值正常，均為85 V左右。Ⅱ母三相電壓偏高，A相峰值約107.03 V，B相峰值約108.78 V，C相峰值約109.17 V，并且發現Ⅱ母電壓波形有明顯的畸變，含較高的3次諧波分量。

如果上述二次電壓異常現象未得到及時處理且該站110 kVⅡ母二次設備繼續運行，將造成以下影響。

（1）當一次設備發生接地故障時，2號主變及水鳳線的接地故障保護可能會拒動或誤動。

（2）二次電壓諧波含量滿足明鳳線保護裝置pt斷線告警條件，會直接閉鎖該裝置距離保護及方向段零序保護功能，從而使明鳳線失去主要后備保護功能。

（3）備自投裝置110 kVⅡ母電壓采樣異常，可能導致備自投裝置不正確動作。

（4）2號主變、110 kV水鳳線、110 kV明鳳線、110 kVⅡ母測控裝置采集到的電壓是含大量3次諧波分量的異常電壓，不能準確反映現場一次設備遙測信息。

1.1 諧波含量分析

運行方式不做改變，進一步測試電壓互感器二次電壓，得110 kVⅠ、Ⅱ母線二次電壓諧波含量數據（見表1）。

從表1中可看出，110 kVⅠ母二次電壓的2、3、4、5次諧波含量均在1%以下，而110 kVⅡ母二次電壓諧波含量數據如下：A相基波電壓分量為60.194 V、3次諧波分量為18.506 V（為基波含量的30.74%），B相基波電壓分量為61.106 V、3次諧波分量為18.414 V（為基波含量的30.13%），C相基波電壓分量為60.884 V、3次諧波分量為18.551 V（為基波含量的30.47%），三相電壓均含約30%的3次諧波分量，將電壓諧波含量轉化為更為直觀的條形圖（如圖3所示）。從圖3可看出，僅110 kV Ⅱ母電壓含有明顯的3次諧波。

1.2 相關測試

110 kV Ⅰ、Ⅱ段母線并列運行，Ⅰ母電壓互感器二次電壓正常，僅Ⅱ母電壓互感器二次電壓諧波含有率很高。為了分析確認二次電壓異常的原因，現場開展了如下測試。

（1）斷開110 kVⅡ母電壓互感器二次空氣開關，將110 kVⅠ母電壓互感器二次電壓通過電壓互感器并列把手，使得Ⅰ、Ⅱ母二次電壓并列，此時Ⅰ、Ⅱ母二次電壓均正常，3次諧波電壓消失。

（2）斷開110 kVⅠ母電壓互感器二次斷路器，將110 kVⅡ母電壓互感器二次電壓通過電壓互感器并列把手，使得Ⅰ、Ⅱ母二次電壓并列，此時Ⅰ、Ⅱ母二次電壓均異常，含有明顯的3次諧波分量。

通過上述測試，排除了一次系統產生3次諧波造成電壓異常的可能。

2 PT二次電壓異常分析

在電力系統中，往往是非線性負載導致諧波的出現，非線性負載上流過的電流與負載電壓呈非線性關系，就形成非正弦電流，即有諧波產生。針對110 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器二次電壓波形出現較大差異的情況，在排除系統產生3次諧波的可能性后，依次從電壓互感器、二次回路查找故障原因。

2.1 電壓互感器狀況分析

2.1.1 電壓互感器一次本體狀況分析

由110 kVⅠ、Ⅱ母故障錄波波形及諧波分析測試數據（見圖2和表1）可以知道，110 kVⅡ母三相二次電壓中含有相位一致、幅值大小基本相同的3次諧波。由此可知二次電壓中的3次諧波來自同一干擾源。由文獻[4]可知，當電壓互感器某一相由于故障產生3次諧波時，該三相電壓互感器產生的諧波相位存在差異，據此可確定不是電壓互感器某一相產生3次諧波。

進一步將110 kVⅡ母電壓互感器操作至檢修狀態，對其開展高壓試驗檢查，結論是一次設備連接可靠正確，Ⅱ母電壓互感器試驗合格。確定Ⅱ母電壓互感器一次本體無異常，不可能產生3次諧波。

2.1.2 電壓互感器鐵磁諧振分析

由文獻[5-6]可知，當電壓互感器發生鐵磁諧振時，電壓互感器二次側電壓的諧波分量主要是1/3次諧波，其頻率約17 Hz。從錄波波形及測試數據看，電壓互感器二次電壓的諧波分量主要是3次諧波，沒有較為明顯的1/3次諧波，這樣的波形及測試數據與電壓互感器發生鐵磁諧振時的波形明顯不符，因此可以確定不是電壓互感器發生鐵磁諧振造成該電壓異常。

基于以上幾點，確認電壓互感器工作正常，不存在故障，3次諧波不是來自電壓互感器，而是來自干擾。據此可確定電壓互感器本體無問題，推測造成電壓畸變的源頭在二次設備或二次回路。

2.2 帶不同負荷時的諧波含量分析

首先檢查110 kV Ⅰ、Ⅱ母線電壓互感器二次電壓接地點情況，結論是電壓互感器二次電壓N600一點接地合格。接著逐一隔離相關二次設備及回路，收集、分析110 kVⅡ母二次電壓諧波數據，分析后發現只要帶二次負載，Ⅱ母二次電壓均會產生一定的諧波含量。

2.2.1 110 kVⅡ段母線空載運行

將110 kVⅡ段母線電壓互感器所有二次設備負載隔離即Ⅱ母空載運行時，分析測試所得電壓數據見表2。從表2得到以下結論。

（1）110 kVⅡ母二次電壓3次諧波含有率很低，均在1%以下。

（2）110 kVⅠ、Ⅱ母電壓互感器型號與參數完全一致，在并列運行情況下二次電壓理論上應完全一致，但實際上存在一定差異。

2.2.2 110 kVⅡ母線僅帶水鳳線保護裝置運行

隔離其他所有二次設備負載，110 kVⅡ母線僅帶水鳳線保護裝置運行時的電壓數據見表3。

將表3與110 kVⅡ母帶全部負荷運行時的二次電壓3次諧波含量進行對比，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，110 kVⅡ母線二次電壓諧波含量全負荷運行時約30%，僅帶水鳳線運行時約20%，發生明顯的變化。隔離其他二次設備，則Ⅱ母二次電壓諧波含有率均發生明顯變化，由于不可能所有二次設備均會帶來諧波干擾，懷疑Ⅱ母至電壓并列屏二次回路有問題。

2.2.3 電壓互感器至電壓并列屏相關二次回路檢查

檢查電壓互感器至電壓并列屏相關二次回路發現，電壓互感器二次回路中性線在PT端子排處虛接，給110 kVⅡ母二次電壓回路引入了干擾。現場將虛接中性線可靠連接后電壓恢復正常，Ⅰ、Ⅱ母電壓相等且不含明顯的諧波分量，測試數據見表4。

3 中性線斷線產生諧波原因分析

當電壓互感器電壓二次回路中性線與二次設備負載可靠連接且中性線接地良好時，接線示意圖如圖5所示。

此時保護裝置小PT能準確反映PT二次側的電壓輸出，U2a、U2b、U2c幅值相等，相位相差120°，為正向序，電源中性點U2n與地的電位相等為零。

該回路中因為負載不平衡導致有3次諧波電流出現，該諧波電流通過中性線流通，使得三相勵磁電流均為尖頂波，從而產生正弦波的磁通，三相電壓呈正弦波。

在中性線接地斷開時，回路中的3次諧波電流不能通過中性線流通（如圖6所示）。

由文獻[7-8]可知，當鐵芯中主磁通和勵磁電流的關系為非線性的曲線，即鐵心磁路為非線性時，各相中的正弦波勵磁電流會產生平頂波的磁通，該磁通可分解為基波磁通和3次諧波磁通。同理，基波電勢和3次電勢合成可得到呈尖頂波的相電勢。

此時中性點電壓U2n不為零，即存在中性點位移電壓，而且各相對地電容不相等，感應到二次引線上的干擾信號不能夠經二次繞組中性線和大地連接，同時二次負荷的阻抗（每臺二次設備的阻抗為幾百歐姆）相對較大，不能使干擾信號得到大幅衰減，相當于在中性線斷口處引入一個零序干擾源，從而在輸出二次電壓信號上疊加了干擾信號（如圖7所示）。

由上述可知，當電壓互感器二次回路中性線斷線且發生零點漂移時，由于中性線與其他信號線之間通過雜散電容和互感的耦合，因此導致電壓互感器二次中性線與保護測量回路接地點之間產生零序諧波電位差，在保護及測量二次回路產生大量的奇次諧波，并以3次諧波為主，從而造成電壓互感器二次電壓異常。

4 結語

本文闡述了一起現場電壓互感器二次回路中性線虛接案例現象，收集了現場電壓異常數據，最后定性分析該二次電壓異常產生的原因，即電壓互感器二次回路中性線斷線時會產生較高的3次諧波分量。同時介紹了一種電壓異常檢查思路，希望能給廣大同行提供二次回路檢修運維新思路。

參 考 文 獻

[1]GB/T 14549—93，電能質量公用電網諧波[S].

[2]GB/T 17626.7—1998，電磁兼容試驗和測量技術供電系統及所連設備諧波、諧間波的測量和測量儀器導則[S].

[3]原治安.電壓互感器斷線原理與應用[J].電子自動化設備，2009，29（8）：153-156.

[4]燕飛，沈軍.電壓互感器三次諧波電壓異常的原因分析[J].電測與儀表，2012，49（8）：55-60.

[5]麥榮煥，鄧小強.一起110 kV電容式電壓互感器二次電壓異常故障分析[J].機電信息，2014（27）：53-54.

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[8]劉奎，趙青春，戴光武，等.一種檢測PT中性線斷線的方法[P].中國專利：CN108957203A，2018-12-07.