淺析電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響

云南電網(wǎng)公司大理供電局 楊 浩 趙國忠 楊虎英

當(dāng)前電力市場交易規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)依靠人力現(xiàn)場抄表計量、周期性校驗電量的方式已經(jīng)不能滿足電能計量的需求。受到城市電纜架設(shè)要求的影響，輸電線路數(shù)量增加，電纜對地電電容也相應(yīng)大規(guī)模增長。電力行業(yè)開始逐漸利用智能電網(wǎng)對電能進(jìn)行可靠檢驗和測量。電壓互感器和電能表是智能電網(wǎng)的重要組成。電能表對采樣輸入的電壓和電壓值進(jìn)行數(shù)值模擬轉(zhuǎn)化，傳輸至變電站控制中心進(jìn)行分析與存儲[1]。智能電能表具備數(shù)字化計量功能，可以減少站內(nèi)設(shè)備，起到獨立監(jiān)測的作用。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓互感器和電能表等裝置也增多。電量負(fù)荷的增加對電能計量提出了更高的要求。由于電能計量偏差問題導(dǎo)致的設(shè)備運行故障問題常有發(fā)生。按照當(dāng)前的供電負(fù)荷水平，電能計量故障嚴(yán)重時還會為威脅運維人員人身安全和電網(wǎng)運行穩(wěn)定性，對社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。對此，需要保證電能計量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。電壓互感器能夠監(jiān)測電壓，同時在線路發(fā)生故障時可以起到繼電保護(hù)的作用，避免重要設(shè)備燒毀。在電能表計量中，電壓互感器中性點對地存在電壓會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

當(dāng)電能表計量線路出現(xiàn)基頻諧振現(xiàn)象時，電壓互感器中性點發(fā)生偏移，導(dǎo)致接線故障。為避免故障問題的出現(xiàn)，對電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響進(jìn)行研究。根據(jù)電壓互感器工作原理，一段獨立線路通常包含一只電壓互感器，二次電壓由繼電保護(hù)裝置端口輸出。受到中性點電壓偏移的影響，電能表計量線路的三相電壓由飽和相轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡拖?，電壓?shù)值低于額定值。為避免線路發(fā)生諧振導(dǎo)致電壓故障，需要控制電源自振頻率，防止中性點不接地電壓偏離。通過改變中性點接地電感，降低線路零序等效電容的方式，改變高壓側(cè)相關(guān)參數(shù)，降低回路電流，達(dá)到抑制接線故障的目的。本文對此問題開展研究，降低突發(fā)性事故的發(fā)生概率，在一定程度上可以減少線路故障損失。

1 電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響

1.1 電壓互感器工作原理

在智能電能計量中，電壓互感器能夠?qū)﹄妷汉碗娏髦颠M(jìn)行合并，采樣后向二次側(cè)輸出。數(shù)據(jù)經(jīng)過電能表的處理，相關(guān)電能數(shù)據(jù)經(jīng)過通信協(xié)議的解析，為后續(xù)的測控和設(shè)備保護(hù)裝置提供采樣報文。解析得到的電流和電壓值是電網(wǎng)線路和設(shè)備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。電能計量表的數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至調(diào)度服務(wù)器和監(jiān)控平臺終端，讀取遠(yuǎn)程電能并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。電壓互感器將采集的高電壓轉(zhuǎn)化為100V以內(nèi)的低電壓，起到降壓作用[2]。導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)電動勢變化，測量過程近似處于空載狀態(tài)。其運行容量顯著低于變壓器，適合應(yīng)用于小功率能量的傳輸。

電壓互感器由傳輸裝置、二次轉(zhuǎn)換器、電壓及電流傳感器等設(shè)備組成。傳感器采集的電壓和電流信號經(jīng)過數(shù)字接口轉(zhuǎn)換為數(shù)字模擬信號，起到繼電保護(hù)和電氣測量的作用。合并單元對多線路電流和電壓的采集結(jié)果進(jìn)行空間差值和時間同步處理，實現(xiàn)電源側(cè)電能測量。在電能表計量過程當(dāng)中，一段獨立線路通常包含一只電壓互感器。本體二次端子與PT端子箱通過引線相連接，二次電壓傳輸至匯控柜[3]。各分段的二次電壓經(jīng)過引線回路的轉(zhuǎn)換后，由繼電保護(hù)裝置端口輸出。互感器的二次電壓提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，在線路某一節(jié)點出現(xiàn)故障而斷開時，故障分段的電壓可由其它并行分段的互感器電壓代替。

1.2 電壓互感器中性點對地存在電壓對計量的影響

當(dāng)電能表計量線路出現(xiàn)基頻諧振現(xiàn)象時，電壓互感器中性點發(fā)生偏移。正常線路中中性點電壓為0V，三相導(dǎo)納表現(xiàn)為容性，電壓在數(shù)值上十分接近。接線故障后，中性點電壓表現(xiàn)出增高的趨勢，三相導(dǎo)納中部分轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪?。受到中性點電壓偏移的影響，電能表計量線路的三相電壓由飽和相轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡拖郲4]。三相電壓發(fā)生偏移，數(shù)值上表現(xiàn)為低于正常接線電壓值。

中性點電位偏移量的計算公式為：ΔU=(R1W1+R2W2+R3W3)/(W1+W2+W3)，式中，ΔU表示中性點電位偏移量；R1，R2和R3分別表示電源等效三相電壓；W1，W2和W3分別表示三相支路等值導(dǎo)納。發(fā)生接線故障后，通常會出現(xiàn)其中兩相嚴(yán)重飽和的情況。此時，兩相的電感電流增大，導(dǎo)納轉(zhuǎn)變成感性。

中性點電位偏移量轉(zhuǎn)化為以下公式：ΔU=R1(1+1/(f2αβ))/(1-2/(f2αβ))，式中，f表示電源頻率；α表示電壓互感器電感；β表示電流電容。PT的勵磁電感隨電流的變化而變化，當(dāng)電源頻率達(dá)到一定頻次時，出現(xiàn)過電壓故障。

為避免線路發(fā)生諧振導(dǎo)致電壓故障，需要控制電源自振頻率，防止中性點不接地電壓偏離。故障時刻，過電壓初始值達(dá)到最大幅值，此后開始衰減，三相電壓值開始低于額定數(shù)值。因此，中性點對地電壓會導(dǎo)致三相電壓發(fā)生偏移、引發(fā)接線故障，增加線路有功損耗，不利于線路規(guī)劃和運行。電力企業(yè)應(yīng)將電壓互感器中性點對地存在電壓損失加入電能計量方案中。

1.3 電能表接線故障的處理措施

為避免出現(xiàn)電壓互感器中性點對地存在電壓導(dǎo)致的線路故障問題，需要改變中性點接地電感，降低線路零序等效電容。中性點利用消弧線圈補償單相電容電流，防止接地時產(chǎn)生不穩(wěn)定的短路電流，從而起到抑制電壓的作用。當(dāng)電能表線路處于完全補償狀態(tài)時故障位置的電流為0。中性點的零序電容完全補償后，電流表現(xiàn)為周期性衰減趨勢。三相電壓對應(yīng)的暫態(tài)過電流轉(zhuǎn)化為勵磁電流，經(jīng)過平穩(wěn)過渡恢復(fù)至正常的相電壓，故障處的暫態(tài)過電流得到抑制[5]。

當(dāng)電能表線路處于過補償和欠補償狀態(tài)時，電流變化趨勢相同，過電流得到有效抑制。在電能計量裝置故障位置處，利用4PT接線方式串接單相電壓互感器，以此改變高壓側(cè)相關(guān)參數(shù)，降低回路電流。4PT接線方式串聯(lián)增加三倍的勵磁電感，等效支路電感增大，就會有較小的暫態(tài)過電流流經(jīng)計量裝置[6]。此時，線路內(nèi)部的電流變化趨勢與完全補償狀態(tài)相同，取得較好的故障抑制效果。

通過改變電壓互感器的輔助繞組參數(shù)，可以達(dá)到改變中性點接地電阻的目的，從而效果串接電阻對接線電容的影響。正常運行狀態(tài)下，輔助繞組中沒有電流經(jīng)過，對電壓互感器不產(chǎn)生作用。電能計量裝置發(fā)生線路故障時，受到零序電壓的影響，輔助繞組的電阻降低。隨著輔助繞組位置電流的增大，相同端的高壓側(cè)電流也增大。為了抑制暫態(tài)過電流，可以適當(dāng)增加輔助繞組的電阻數(shù)值，并將其串接成開口三角形，以提升故障電流抑制效果。

2 實驗研究

為驗證電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響結(jié)果，設(shè)計實驗進(jìn)行分析。實驗研究的背景為2021年5月某220kV發(fā)電廠220kV線路計量裝置。實驗設(shè)備主要包括：三相四線57.7/100V，1.5，額定容量為25VA；A電能表，裝置在負(fù)荷側(cè)，采用V/v接線方式；110kV電壓互感器3只，用以測量線電壓。在電能監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)測到該裝置的電能表電壓出現(xiàn)異常，三相電壓監(jiān)測結(jié)果分別為Ua=54V，Ub=55.2V，Uc=53V。對此，在現(xiàn)場對該線路計量裝置進(jìn)行電壓檢測。為避免單次檢測造成的測量偏差，對故障位置的中性點Un對地電壓和三相電壓（Ua、Ub和Uc）連續(xù)測量10次，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的結(jié)果，處理前線路計量裝置故障位置的中性點Un對地電壓、Ua、Ub和Uc分別為5.9V、54.0V、55.3V和52.8V。因此，該線路計量裝置檢測位置存在線路故障問題。對該位置的電壓互感器進(jìn)行檢查可知，110kV電壓互感器中性點Un連接導(dǎo)線(3EYH05/N600)，在轉(zhuǎn)接屏左側(cè)端子后未引到電能表屏。經(jīng)過分析可知，電能表接入電壓互感器的中性點與相電壓不是同一組互感器，因此導(dǎo)致中性點Un對地電壓升高而三相電壓降低。故障線路與非故障線路的電力負(fù)荷移動方向相同，接地產(chǎn)生的電容電流導(dǎo)致電壓降低。同時，電壓互感性中性點發(fā)生較大的偏移，因此表現(xiàn)出5.9V電壓的異常情況。對此，需要通過電壓互感器產(chǎn)生容性電流，對計量裝置故障位置進(jìn)行電壓補償。

表1 處理前測量結(jié)果

將110kV電壓互感器的中性點Un連接導(dǎo)線(3EYH05/N600)，引到電能表屏。解除原來電能表接入的Un連接導(dǎo)線，接入電壓互感器中性線(3EYH05/N600)。處理完畢后對該線路計量裝置進(jìn)行電壓檢測，檢測結(jié)果如圖1所示：Un對地電壓0V、Ua對Un59.8V、Ub對Un59.8V、Uc對Un59.4V。

圖1 處理后故障位置的檢測結(jié)果

同理，對處理后的線路計量裝置的中性點Un對地電壓和三相電壓（Ua、Ub和Uc）連續(xù)測量10次，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的結(jié)果，處理后線路計量裝置故障位置的中性點Un對地電壓、Ua、Ub和Uc分別為0.0V、59.7V、59.8V和59.6V。電壓互感器中性點對地存在電壓對三相電壓計量存在一定影響。經(jīng)過處理后，回路接線正確，中性點Un對地電壓恢復(fù)至0V。采用本文的處理措施能夠抑制接地電壓、消除諧振現(xiàn)象，降低電壓互感器的對地電壓。線路中的三相負(fù)荷得到平衡，Ua、Ub和Uc均恢復(fù)至正常數(shù)值范圍，電能表計量裝置引起的接線故障得到消除。綜合上述研究過程，本文研究能夠有效提升電能計量效果，提升線損管理水平。

表2 處理后測量結(jié)果

綜上，基于電壓互感器和電能計量表的計量裝置在智能電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。電磁諧振和電流諧波等異常因素對電能計量產(chǎn)生了影響，造成負(fù)荷測量結(jié)果不準(zhǔn)確。本文對電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響進(jìn)行研究，并提出解決接線故障的措施。

經(jīng)過對現(xiàn)場實際運行工況的檢驗，本文研究通過對電壓互感器連接導(dǎo)線的合理布置，能夠?qū)嵷?fù)荷和虛負(fù)荷進(jìn)行有效校驗，將中性點Un對地電壓恢復(fù)至0V，線路三相電壓也達(dá)到正常數(shù)值。供電企業(yè)在對用戶側(cè)進(jìn)行電能計量時，需將中性點對地電壓造成的接地故障納入運維策略中，提升線路工程的實用性。后續(xù)研究可針對單相接地過程中諧振過電壓進(jìn)行研究，增強電網(wǎng)線路系統(tǒng)的電容電流，避免出現(xiàn)電壓突增導(dǎo)致的電能計量讀數(shù)不穩(wěn)現(xiàn)象。