國(guó)內(nèi)外電壓互感器二次回路接地方式比較分析

楊鎮(zhèn)榮，黃敘銀，邢 光，何學(xué)東*

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.璞信電力工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，我國(guó)在國(guó)外建設(shè)了并還將建設(shè)許多輸變電站，為更好地滿足用戶的要求，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的差異，持續(xù)地進(jìn)行國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究與分析比對(duì)是必須要做的工作。

國(guó)內(nèi)外常規(guī)變電站中，獨(dú)立的、與其他互感器沒(méi)有電氣聯(lián)系的電壓互感器（簡(jiǎn)稱“TV”）的二次回路都是要求在其就地端子箱一點(diǎn)接地。但對(duì)于有電氣聯(lián)系的電壓互感器，其二次回路接地方式，國(guó)內(nèi)外工程差異較大。對(duì)于國(guó)內(nèi)工程，要求TV中性線不應(yīng)接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等［1-3］，導(dǎo)致有電氣聯(lián)系的TV 只能在保護(hù)室經(jīng)中性線小母線或并聯(lián)端子排（N600）一點(diǎn)接地；而國(guó)外工程強(qiáng)調(diào)最短路徑、低電阻接地［4-5］，要求所有TV在開關(guān)場(chǎng)就地端子箱一點(diǎn)接地。

本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外TV 二次回路接地方式差異和優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明了各自標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)問(wèn)題及工程設(shè)計(jì)方案。TV二次回路必須且只能有1個(gè)接地點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上，允許不同國(guó)家或地區(qū)有各自的差異性解決方案，以滿足不同用戶的關(guān)鍵要求。

1 國(guó)內(nèi)外TV二次回路接地方式差異

1.1 國(guó)內(nèi)工程的接地要求

《十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（以下簡(jiǎn)稱“《反措》”）及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［6-10］要求電壓互感器二次回路必須且只能有1個(gè)接地點(diǎn)，并應(yīng)符合下列要求：

1） 有電氣聯(lián)系的電壓互感器的二次回路應(yīng)在相關(guān)保護(hù)室一點(diǎn)接地，宜在電壓并列柜處接地。

2） 各電壓互感器的中性線不應(yīng)接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等。

3） 獨(dú)立的、與其他互感器沒(méi)有電氣聯(lián)系的電壓互感器的二次回路宜在其就地端子箱一點(diǎn)接地。

目前國(guó)內(nèi)主流理念是TV 二次回路盡量在就地端子箱接地，但對(duì)有電氣聯(lián)系的TV二次回路均在電壓并列柜處將各路中性線互連并接地，中性線不參與切換/并列操作。鑒于有電氣聯(lián)系的TV 二次回路的廣泛應(yīng)用，TV二次回路實(shí)際在端子箱接地的很少。中性線不參與切換的電壓切換［11-13］和并列回路［14-17］分別如圖1和圖2所示，具體動(dòng)作原理見本文3.1及3.2描述。

圖1 中性線不切換的電壓切換回路Fig.1 Voltage switching circuit without switching neutral line

圖2 中性線不切換的電壓并列回路Fig.2 Voltage parallel circuit without switching neutral line

1.2 國(guó)外工程的接地要求

CIGRE（國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議組織）于2013年4月發(fā)布了《EMC within Power Plants and Substations》（以下簡(jiǎn)稱為“《EMC》”）［18］，對(duì)于TV 二次回路的接地要求見圖3所示，詳述如下：

圖3 EMC要求的電壓互感器二次回路Fig.3 Secondary circuit of voltage transformer required by EMC

1） 為了安全，二次回路必須在高壓設(shè)備處接地，為了盡可能減少中性線和接地線所形成的環(huán)路，電路和電纜屏蔽層都應(yīng)在互感器箱體上接地，而不應(yīng)分開連接到接地網(wǎng)。

2） 所有進(jìn)入端子箱的電纜屏蔽層和中性線都應(yīng)經(jīng)端子箱接地。由于互感器和端子箱之間的雙芯電纜長(zhǎng)度很短，中性線（互感器和端子箱）的雙重接地對(duì)共阻抗耦合干擾電平影響很小。

3） 在任何情況下，保護(hù)室內(nèi)都不容許中性線另外接地。

4） 當(dāng)2 個(gè)互感器連接到同一設(shè)備（如同步回路）上，雙重接地不可避免時(shí)，必須使用隔離變壓器。

5） 最好為每根電纜敷設(shè)1 根截面至少50 mm2的接地銅排（PEC）。

6） 如果安全規(guī)則允許，當(dāng)中性線僅在1 個(gè)點(diǎn)接地（如在端子箱中接地，互感器處不接地）時(shí)，會(huì)獲得較低的干擾電壓。

根據(jù)IEEE Std c57.13.3 2014互感器二次回路和外殼接地指南［19］5.7條建議，互感器的接地要便于拆除以進(jìn)行隔離或檢測(cè)等操作，要確保拆除1 個(gè)電路的接地連接不會(huì)影響其他電路的接地。此外，多個(gè)國(guó)外電力公司標(biāo)準(zhǔn)［20-21］也均明確要求電壓互感器二次回路在就地端子箱處一點(diǎn)接地。

故對(duì)于有電氣聯(lián)系的TV，國(guó)外工程多采用將中性線和相線一樣經(jīng)過(guò)繼電器切換，此方式不同于國(guó)內(nèi)，每組TV 中性線相互獨(dú)立，并經(jīng)過(guò)了可斷開的繼電器觸點(diǎn)。以下是2個(gè)工程實(shí)例。

圖4為印度某變電站220 kV線路保護(hù)屏電壓切換回路圖，可以看出7n 采用雙位置磁保持繼電器，通過(guò)此間隔線路的I、II母母線隔離開關(guān)位置啟動(dòng)和復(fù)歸繼電器，實(shí)現(xiàn)兩組TV 電壓切換，可以看出中性線和R 相線、Y 相線、B 相線一樣經(jīng)過(guò)繼電器K13、K23 觸點(diǎn)切換，此站于2015年投運(yùn)至今，運(yùn)行正常可靠，未發(fā)生切換繼電器異常動(dòng)作情況。

圖4 印度220 kV變電站的電壓切換回路Fig.4 Voltage switching circuit of 220 kV substation in India

圖5為博茨瓦納某變電站220 kV線路保護(hù)屏電壓切換回路圖，采用同上案例類似的切換方式。此站于2019 年投運(yùn)，目前運(yùn)行良好，未發(fā)生切換繼電器異常動(dòng)作情況。

圖5 博茨瓦納220 kV變電站的電壓切換回路Fig.5 Voltage switching circuit of 220 kV substation in Botswana

2 TV二次回路接地方式比較分析

2.1 國(guó)內(nèi)接地方式分析

《反措》特別強(qiáng)調(diào)“各電壓互感器的中性線不應(yīng)接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等”，是因?yàn)檫@些“可能斷開的開關(guān)或熔斷器”在正常運(yùn)行時(shí)可能誤斷開，如：并列/切換繼電器失電、隔離開關(guān)位置異常、繼電器觸點(diǎn)接觸不良造成中性線斷線［22］，使提供基準(zhǔn)電位的一點(diǎn)接地缺失。當(dāng)發(fā)生TV中性線斷線時(shí)，由于中性點(diǎn)電位漂移，保護(hù)裝置的相電壓會(huì)發(fā)生變化，從而可能導(dǎo)致零序方向元件、電壓元件誤動(dòng)，由此已引發(fā)多起事故，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)動(dòng)作的正確性［23］。另外，如果中性線接有可能斷開的設(shè)備，在回路切換需要斷開時(shí)，還可能無(wú)法斷開，如：切換繼電器觸點(diǎn)粘連，可能導(dǎo)致兩組TV回路誤并列和多點(diǎn)接地。必須采取合理的措施預(yù)防和處理電壓互感器中性線斷線故障，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2.2 國(guó)外接地方式分析

CIGRE、IEEE 等國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求在就地端子箱處接地，將中性線同相線一起參與切換/并列操作，使各TV中性點(diǎn)相互隔離，可實(shí)現(xiàn)各TV 中性點(diǎn)在端子箱處接地。端子箱處接地、中性線參與并列/切換操作（以下簡(jiǎn)稱為“方式A”）與保護(hù)室接地、中性線不參與并列/切換操作（以下簡(jiǎn)稱為“方式B”）相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1） 實(shí)現(xiàn)低電阻接地，減小共阻抗耦合干擾。多回路公用1 個(gè)接地點(diǎn)及接地引下線，入地共模電流是所有接入回路的電流之和，回路數(shù)越多，共模電流疊加越大，產(chǎn)生的地電位越高，使所接入裝置受干擾的風(fēng)險(xiǎn)顯著加大［24］。方式A 為共模干擾電流入地提供了最短路徑和最低的接地阻抗，同時(shí)也阻止了共模電流沿中性線傳播對(duì)鄰近平行敷設(shè)的電纜產(chǎn)生干擾；另外，共模信號(hào)在傳輸中受不平衡電路的影響會(huì)轉(zhuǎn)換成差模干擾信號(hào)，如上所分析，方式A 降低了共模干擾電流，可避免共模電流轉(zhuǎn)換成差模信號(hào)疊加到有效信號(hào)上產(chǎn)生畸變，而導(dǎo)致二次裝置狀態(tài)異常甚至誤動(dòng)。

2） 降緩傳導(dǎo)干擾。電纜經(jīng)感性（磁場(chǎng)）耦合和容性（電場(chǎng)）耦合產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾與電纜長(zhǎng)度和連通的接地導(dǎo)體構(gòu)成的環(huán)路面積成正比。在方式B中，多個(gè)TV二次回路連接到一起接地，構(gòu)成了一個(gè)范圍極廣的星型接地網(wǎng)，增加了電纜長(zhǎng)度和接地環(huán)繞面積，導(dǎo)致傳導(dǎo)干擾增大，二次裝置受干擾的風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。而采用方式A，各TV 中性線相互獨(dú)立，避免了中性線相互連接長(zhǎng)度加倍和大面積的接地環(huán)路，有利于降緩傳導(dǎo)干擾。

3） 安全可靠性高。采用方式A，不同安裝位置的3只TV二次繞組中性線匯集在端子箱就地接地，該接地點(diǎn)距離最近、聯(lián)系最緊，沒(méi)有任何斷開點(diǎn)或轉(zhuǎn)接線，十分安全可靠。反之采用方式B，回路復(fù)雜且距離較長(zhǎng)，中間出現(xiàn)多處電纜轉(zhuǎn)接，在控保屏維護(hù)檢修或升級(jí)更換過(guò)程中，存在失去接地［25］或多點(diǎn)接地［26-29］的風(fēng)險(xiǎn)；相關(guān)回路異常時(shí)需要逐條線路排查，回路分析困難，運(yùn)維人員工作量較大。另外TV 異常檢修時(shí)，還可能出現(xiàn)停運(yùn)TV二次中性線與其他TV電壓回路沒(méi)有完全斷開的問(wèn)題，存在安全隱患。

4） 避免經(jīng)放電間隙或氧化鋅閥片（JB）接地。采用方式B 時(shí)，宜在接線端子箱處經(jīng)放電間隙或氧化鋅閥片接地。對(duì)于氧化鋅閥片存在兩個(gè)問(wèn)題：其一，存在介質(zhì)電容，高頻共模干擾信號(hào)有可能通過(guò)介質(zhì)電容入地，產(chǎn)生兩端接地的效果；其二，是閥片老化問(wèn)題，非線性特性惡化，漏電流激增，存在多點(diǎn)接地事故隱患［30-32］。而采用方式A，不需要設(shè)置此設(shè)備，省去了巡檢和檢修的運(yùn)維麻煩，避免了閥片擊穿造成二次回路多點(diǎn)接地的問(wèn)題。

2.3 智能變電站TV二次回路接地說(shuō)明

智能變電站以電子式互感器、合并單元取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，以數(shù)字信號(hào)取代傳統(tǒng)的模擬電量采集，通過(guò)光纖、通信線組成數(shù)字化傳輸網(wǎng)絡(luò)，避免了常規(guī)變電站隔離開關(guān)位置異常、并列/切換繼電器觸點(diǎn)粘連或接觸不良等設(shè)備不可靠及各種電磁干擾問(wèn)題［33-42］；隨著電子式互感器、合并單元配置方案的完善及穩(wěn)定性、可靠性等設(shè)備性能的提高，上文TV 二次回路接地的相關(guān)問(wèn)題將不復(fù)存在。

3 國(guó)外工程TV二次回路接地改進(jìn)方案

在進(jìn)行國(guó)外工程設(shè)計(jì)時(shí)，需改進(jìn)電壓互感器二次回路接地方案，使之滿足相關(guān)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的要求。據(jù)多年國(guó)外工程應(yīng)用情況看，目前大多數(shù)國(guó)外地區(qū)均采用中性線經(jīng)過(guò)切換的方式。目前TV 二次回路進(jìn)入裝置均經(jīng)過(guò)采樣電路板上的小型TV隔離，只需改進(jìn)裝置外電壓切換/并列回路，就可以使多個(gè)TV 二次回路之間無(wú)電的聯(lián)系，改進(jìn)方案如下。

3.1 電壓切換回路的改進(jìn)

雙母線接線方式下，利用母線隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)控制單位置或雙位置繼電器，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)自動(dòng)選擇相關(guān)母線電壓，保證二次設(shè)備輸入電壓隨一次設(shè)備運(yùn)行方式的變化同步切換。圖1是國(guó)內(nèi)采用的電壓切換電路原理圖，只是對(duì)三相電壓進(jìn)行切換，兩段母線上TV的中性線固定連接在一起。

根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)，將TV二次繞組中性線同相線一起切換，如圖6中所示。

圖6 中性線經(jīng)切換的電壓切換回路Fig.6 Voltage switching circuit with switching neutral line

切換繼電器1YQJ、2YQJ在工作狀態(tài)下，始終只有1組繼電器動(dòng)作，因此在中性線加入切換后，始終保持2組TV中性線始終是互不相連，兩側(cè)的接地點(diǎn)各自獨(dú)立，故不存在多點(diǎn)接地問(wèn)題。此時(shí)只需要將切換繼電器的觸點(diǎn)由3對(duì)更換為4對(duì)即可，實(shí)施難度較小。

3.2 電壓并列回路的改進(jìn)

雙母線、單母線分段等接線方式下，2組母線并列運(yùn)行（母聯(lián)/分段斷路器及其兩側(cè)的隔離開關(guān)合位）時(shí)，利用母聯(lián)/分段斷路器及其兩側(cè)隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)控制單位置或雙位置繼電器，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩組母線電壓互感器二次回路的自動(dòng)連接，保證在一段母線電壓互感器故障、檢修等原因退出運(yùn)行時(shí)，用另一段母線電壓互感器為此段母線負(fù)載提供二次電壓。圖2 所示回路為國(guó)內(nèi)廣為采用的并列方式，中性線固定連接在一起，接地點(diǎn)設(shè)在電壓并列屏處，另就地經(jīng)放電間隙或氧化鋅閥片接地。I 母PT、II 母TV 分別表示兩段母線電壓互感器二次繞組輸出；1GWJ、2GWJ為切換繼電器，YQJ 為并列繼電器。分列工況下，1GWJ、2GWJ觸點(diǎn)分別閉合，YQJ觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，兩段TV的二次輸出三相電壓各自獨(dú)立，分別輸送至本段間隔的二次裝置。

圖7是改進(jìn)后的原理圖。同理，將TV中性線同相線一起切換，就地端子箱接地。在某TV 退出運(yùn)行后，相應(yīng)GWJ觸點(diǎn)斷開，YQJ觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，退出運(yùn)行的TV 二次回路的相線和中性線一同退出，兩段母線TV 二次回路中性線不再相連，接地點(diǎn)相互獨(dú)立，不存在多點(diǎn)接地問(wèn)題。

圖7 中性線經(jīng)切換的電壓并列回路Fig.7 Voltage parallel circuit with switching neutral line

此改進(jìn)方案僅需將原1GWJ、2GWJ 和YQJ 繼電器3對(duì)觸點(diǎn)更換為4對(duì)觸點(diǎn)，可利用現(xiàn)有裝置中的備用擴(kuò)展板增設(shè)1組切換并列繼電器，容易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)變電站電壓互感器二次回路最佳接地方式是在開關(guān)場(chǎng)就地端子箱處一點(diǎn)接地，考慮到隔離開關(guān)、繼電器等設(shè)備的可靠性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求TV中性線不應(yīng)接有可能斷開的開關(guān)或熔斷器等，以避免繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)造成嚴(yán)重事故，但這樣導(dǎo)致了有電氣聯(lián)系的TV二次回路不能在端子箱接地，一定程度上影響了保護(hù)裝置等的抗干擾效果。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)更關(guān)心抗干擾，工程設(shè)計(jì)普遍采用了中性線與相線一起切換的方案，實(shí)現(xiàn)了在端子箱接地的目標(biāo)，但此方案必須認(rèn)真對(duì)待設(shè)備的可靠性問(wèn)題，加強(qiáng)隔離開關(guān)、繼電器選型及做好定期校驗(yàn)，以保證變電站運(yùn)行的安全可靠。隨著智能變電站的發(fā)展、普及，電子式電壓互感器逐漸推廣，由于采用了數(shù)字采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化傳輸，可以規(guī)避設(shè)備可靠性及干擾等相關(guān)問(wèn)題，是最優(yōu)的解決方案。