電壓互感器二次回路壓降影響電能計(jì)量的原因分析及應(yīng)對(duì)策略

薛曉慧，薛峪峰，郭志華，張友璇，黃雪剛，寇 震

（1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司，青海 西寧 810001；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引 言

電壓互感器是電力系統(tǒng)的主要組成，其二次回路上的電阻會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)通過二次回路時(shí)產(chǎn)生壓降，從而使得測(cè)量值與真實(shí)電壓值存在差異，影響電能計(jì)量[1-2]。為了解決電壓互感器二次電壓下降對(duì)電力系統(tǒng)的影響，需要采取必要措施，確保計(jì)量誤差在合理范圍[3]。在采取措施前，需要分析電壓互感器二次回路壓降影響電能計(jì)量的原因，從而制定合理的應(yīng)對(duì)策略。

1 電壓互感器二次回路壓降對(duì)電能計(jì)量的影響原因分析方法

深入分析電壓互感器二次回路壓降對(duì)電能計(jì)量的影響原因，為制定應(yīng)對(duì)策略奠定基礎(chǔ)。在分析過程中，為了保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用多種方法結(jié)合的形式分析影響原因[4]。分析方法包括電壓互感器誤差測(cè)試技術(shù)、同步采樣法、直接測(cè)量法、無線傳感器技術(shù)以及微分測(cè)量法等，具體如下所示[5]。

1.1 電壓互感器誤差測(cè)試技術(shù)

該技術(shù)是用于測(cè)量電壓互感器二次回路中振幅差和相位差的方法。具體而言，這是一種用于評(píng)估電壓互感器二次回路中同相線誤差（即振幅差和相位差）的測(cè)試方法，在測(cè)試過程中通常會(huì)使用高精度的數(shù)字電壓表或示波器來進(jìn)行測(cè)量，并且可以將測(cè)量結(jié)果用于校準(zhǔn)和誤差修正電壓互感器。

1.2 同步采樣法

通過同步采樣法可以測(cè)量電壓的相位角，利用同步機(jī)來檢測(cè)電網(wǎng)中的電壓信號(hào)，并與參考信號(hào)進(jìn)行比較。其原理是將被測(cè)電壓信號(hào)與參考信號(hào)通過特定的技術(shù)（如鎖相環(huán)）進(jìn)行同步采樣，然后對(duì)比它們的相位差來確定電壓的相位角。同步機(jī)通常由穩(wěn)定的振蕩器和高精度的計(jì)數(shù)器組成，能夠提供非常精準(zhǔn)的參考信號(hào)。使用同步采樣法測(cè)量電壓相位角的好處是準(zhǔn)確性高且受干擾較小。

1.3 直接測(cè)量法

這是一種直接測(cè)量二次電壓降低值的方法，通過直接測(cè)量二次電壓的降低值來獲得結(jié)果，不需要進(jìn)行計(jì)算。這種方法使用簡(jiǎn)單的工具和儀表進(jìn)行測(cè)量，但在提高測(cè)量精度方面有一定的困難。

1.4 無線傳感器技術(shù)

無線傳感器技術(shù)是一種電壓測(cè)量方法，旨在改善測(cè)量精度和校準(zhǔn)零位誤差。在無線傳感器技術(shù)中，為了減小感應(yīng)電勢(shì)的影響，可以將無線傳感器安裝到輸電線路，從而分段測(cè)量長(zhǎng)線路的電壓。該技術(shù)利用傳感器裝置將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可靠的無線信號(hào)，并通過無線傳輸方式將信號(hào)傳遞給操作員進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)。此方法對(duì)于長(zhǎng)線路和大面積二次回路的測(cè)量尤為適用。

1.5 微分測(cè)量法

微分測(cè)量法是一種用于測(cè)量電壓或電流信號(hào)變化率的方法。基于微積分中的導(dǎo)數(shù)概念，通過計(jì)算信號(hào)的斜率或變化速率來獲得相關(guān)信息。該方法更加簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，還可以通過調(diào)整零位誤差來進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

此外，在電力系統(tǒng)中使用電壓互感器進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，包括對(duì)220 kV 系統(tǒng)線路和保護(hù)電纜的電壓測(cè)量。其中，測(cè)量220 kV 系統(tǒng)線路電壓時(shí)，為了得到最小化零位誤差，可以通過適當(dāng)調(diào)整電壓互感器的工作參數(shù)，包括校準(zhǔn)互感器的零位電阻，來達(dá)到更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。而在保護(hù)電纜的電壓測(cè)量中，為了抑制外部電磁場(chǎng)的干擾，通常采用外部測(cè)量方法，如使用屏蔽線纜或其他抗干擾措施，以提高測(cè)量的精確性。

通過上述方法的結(jié)合進(jìn)行電壓互感器二次回路電壓的測(cè)量和計(jì)算，根據(jù)測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，分析電壓互感器二次回路壓降對(duì)電能計(jì)量的影響原因，基于分析結(jié)果制定應(yīng)對(duì)策略[6]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以電壓互感器為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)過程中，連接高速開關(guān)觸點(diǎn)和熔接管，連接線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，并且確保其電阻值相對(duì)較高。電壓互感器的二次回路如圖1 所示。

圖1 電壓互感器二次回路

圖1 中最左側(cè)的A、B、C 為電壓互感器的三相，P 表示主繞組，最右側(cè)的R1和R2表示電阻。以圖1所示的電壓互感器二次回路為研究對(duì)象，分析二次回路的比值差（電壓互感器二次回路實(shí)際變比與額定變比之間的偏差）、由二次電壓降引起的角差以及二次壓降比值，從而驗(yàn)證該研究的有效性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》（DL/T 448—2000）關(guān)于電氣測(cè)量設(shè)備管理的規(guī)定，對(duì)于I 類測(cè)量裝置，準(zhǔn)確度應(yīng)不大于額定二次電壓的0.5%，實(shí)驗(yàn)的輸入電壓分別采用170M1571 型熔斷器及A70QS50-4 型熔斷器進(jìn)行比較。在降低電壓互感器二次回路中的壓降方面，互感器二次回路的連接導(dǎo)線應(yīng)采用銅制單芯絕緣線，連接導(dǎo)線的截面積應(yīng)由計(jì)算來確定。

為了降低電壓誘導(dǎo)器在次級(jí)回路中的壓降，要求在小于額定次級(jí)電壓0.25%的次級(jí)回路中，使用電壓誘導(dǎo)器對(duì)二次集成端子與同相線電壓之間振幅差和相位差的組合值進(jìn)行計(jì)算。這樣能夠快速計(jì)算出角差。對(duì)于二次電壓互感器方案中的35 kV 以上的電壓互感器，需要每2 年至少進(jìn)行一次壓降檢查。

點(diǎn)計(jì)算方法主要要求測(cè)量精度高。為了滿足高測(cè)量精度的要求，當(dāng)二次回路線很長(zhǎng)且二次回路面積很大時(shí)，宜選擇差值的測(cè)量方法，并采用模式調(diào)制載波頻率，即使用直接測(cè)量法來測(cè)量壓差。

目前使用的4 條主電纜的長(zhǎng)度通常為200 m，每條電纜的電阻值為12 Ω。通過誘導(dǎo)器測(cè)試方法測(cè)量二次回路的電壓，應(yīng)采用同步采樣法，使用同步機(jī)來測(cè)量電壓、電流以及電壓相位角。若在斷電的情況下進(jìn)行設(shè)備的計(jì)算（如電感檢測(cè)器的計(jì)算），則需進(jìn)行特殊的計(jì)算步驟。采用感應(yīng)校準(zhǔn)法可以提高電壓互感器的精度水平。在測(cè)量方案中以220 kV 電壓為例，將電壓互感器電纜末端連接到檢查員控制的電壓互感器插座。通過將這些電纜連接到電壓互感器的一次側(cè)，可以用于構(gòu)建電壓互感器系統(tǒng)線路，并進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以電壓互感器為研究對(duì)象，通過前文的分析方法得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即比值差、角差以及二次壓降比值，結(jié)果如表1 所示。

表1 電壓互感器二次回路的壓降測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1 可知，實(shí)驗(yàn)采用了1 號(hào)主變關(guān)口表和2 號(hào)主變關(guān)口表，相位為A、B、C，比值差范圍為-0.204%～0.166%，角差范圍為-7.600′～8.500′，二次壓降范圍為0.159%～0.207%。在100 kV 和35 kV 二次回路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，使用的繼電器等功耗較大，二次回路保護(hù)裝置輔助電壓計(jì)量方案連接到不必要的負(fù)載設(shè)備。

4 電壓互感器二次回路壓降影響電能計(jì)量的原因

根據(jù)以上所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得出電壓互感器二次回路壓降影響電能計(jì)量的原因包括以下幾點(diǎn)。一是220 kV 合閘裝置不使用特殊的電纜線，因此從測(cè)量裝置到電壓互感器的回路引線更長(zhǎng)，線路阻抗和回路引線電壓的增加會(huì)導(dǎo)致測(cè)量裝置的誤差增大。二是隨著二次回路電壓互感器方案的過度負(fù)擔(dān)和不同保護(hù)裝置的老化，增加了能耗，二次回路電源增加，壓降增加。三是二次回路電壓互感器的熔斷器管道兩端簧片被刮傷壓縮，形成了許多接觸點(diǎn)。簧片容易受到表面氧化和外部環(huán)境影響，這些影響因素產(chǎn)生的主要原因?yàn)榛善恢卯a(chǎn)生不良接觸。以220 kV 為例，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不良接觸點(diǎn)的電壓、電流以及電阻測(cè)量值結(jié)果如表2 所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不良接觸點(diǎn)的有關(guān)數(shù)據(jù)

由表2 可知，不良接觸點(diǎn)的電阻達(dá)到了9.5 mΩ以上，最高達(dá)到了11.7 mΩ，而正常情況下，二次回路電壓互感器管道兩端簧片的電阻小于5 mΩ，甚至更低。電壓互感器二次回路壓降受簧片受損的影響，可能改變了電壓互感器的某些工作特性，如電路的阻抗或者電流分布等，從而影響了二次回路的壓降。

5 應(yīng)對(duì)策略

在上述分析的基礎(chǔ)上，采取了以下的改進(jìn)措施，以應(yīng)對(duì)相關(guān)二次電壓互感器方案中的壓降問題。首先，在220 kV 關(guān)口測(cè)量裝置中放置專用電纜，可有效降低二次阻抗方案，并降低回路壓降。其次，更換當(dāng)前二次方案中的老化涂層，并通過拆除二次電壓互感器方案中不必要的工具來減少負(fù)載損耗和電流周轉(zhuǎn)，從而降低方案中的電壓損耗。最后，替換二次電壓互感器方案中的170M1571 型熔斷器。不同型號(hào)熔斷器的電壓降比較如表3 所示。

表3 不同型號(hào)熔斷器的電壓降

從表3 中可以看出，不同型號(hào)的熔斷器在輸入電流固定時(shí)，其電壓降效果不同。170M1571 型熔斷器的電壓降在輸入電流為100、150、200 mA 時(shí)，均比A70QS50-4 型熔斷器高，兩者最高相差7.2 mV，在輸入電流為100 mA，兩者相差最小，數(shù)值為2.9 mV。由此可知，隨著輸入電流的增加，不同型號(hào)熔斷器的電壓降不斷增加，但是A70QS50-4 型熔斷器的電壓降數(shù)值增加較小，其在輸入電流固定時(shí)，電壓降數(shù)值低于170M1571 型熔斷器，說明A70QS50-4 型熔斷器降低二次回路的壓降效果高于170M1571 型熔斷器。因此，應(yīng)用A70QS50-4 型熔斷器替換170M1571 型熔斷器可以有效降低電壓互感器二次回路的電壓降效果。

6 結(jié) 論

為確保電壓互感器在允許的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定，避免影響電能計(jì)量，需要采取一些措施。因此，深入分析了電壓互感器二次回路壓降影響電能計(jì)量的原因，并且給出了應(yīng)對(duì)策略。該研究采用電壓互感器誤差測(cè)試技術(shù)、同步采樣法、直接測(cè)量法、無線傳感器技術(shù)以及微分測(cè)量法等方法進(jìn)行電壓互感器二次回路壓降對(duì)電能計(jì)量影響原因的分析，基于分析結(jié)果，提出采用替換電壓互感器二次回路中熔斷器的應(yīng)對(duì)策略，避免二次回路壓降影響電能計(jì)量，從而提高電能計(jì)量的可靠性。