小電流接地系統(tǒng)母線電壓互感器的接線變遷

0 前言

10KV電力系統(tǒng)是小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流。為了不造成對(duì)外停電，所以允許帶接地運(yùn)行一段時(shí)間，但是為了防止其他兩相對(duì)地電壓升高以及容易產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓而導(dǎo)致電壓互感器或其他設(shè)備損壞，因此必須盡快找到接地點(diǎn)并消除接地。在系統(tǒng)正常運(yùn)行或發(fā)生故障時(shí)，為了滿足對(duì)母線和饋線的測(cè)量，計(jì)量以及保護(hù)裝置的電壓采樣需求，10KV母線上必須裝設(shè)能夠正確反映母線電壓的電壓互感器。隨著電力技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的更新，電壓互感器的接線在滿足二次測(cè)控保護(hù)裝置的要求及防止發(fā)生鐵磁諧振事故的情況下，其接線方式不斷地發(fā)生了一些改變。

1 前期的三臺(tái)單相電壓互感器或三相五柱式電壓互感器接線方式

三臺(tái)單相電壓互感器或三相五柱式電壓互感器接線方式如圖1a。相應(yīng)的相量圖如圖1b所示。

這種電壓互感器一次繞組和主二次繞組接成星形，其中性點(diǎn)直接接地，輔助二次繞組接成有零序電壓輸出的開口三角形。在中性點(diǎn)非直接接地的電力網(wǎng)中，這種接線方式的電壓互感器二次電壓回路可以為繼電保護(hù)和測(cè)量?jī)x表提供線電壓和相電壓;而需要輸入零序電壓的接地保護(hù)及信號(hào)等裝置，則接入開口三角形輸出兩端。當(dāng)電網(wǎng)絕緣良好正常運(yùn)行時(shí)，一，二次電壓回路的三相電壓均是對(duì)稱的，并互差120度，開口三角形兩端輸出為三相電壓的矢量和，即為零。

在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，一，二次電壓回路的電壓相量關(guān)系就發(fā)生了變化。假如C相接地，則它們?cè)瓉?lái)的對(duì)稱關(guān)系被破壞，此時(shí)本相一次繞組電壓為零，A，B相一次繞組的電壓上升為線電壓，則二次A，B相的電壓也升高√3倍，而開口三角形兩端電壓為三倍U0電壓(100V)，所以此種接線的電壓互感器開口三角形不能采用短接的方式以消除鐵磁諧振。否則將燒毀電壓互感器。采用此種接線的電壓互感器可以采用在開口三角形繞組兩端接入防諧振裝置或一白熾燈以減少諧振。其相量關(guān)系如圖1c所示。

10KV系統(tǒng)還常采用三相三柱式電壓互感器的星形接線方式。必須指出此種接線方式的一次繞組中性點(diǎn)不允許直接接地。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，由于零序磁通沒有通路而使電壓互感器會(huì)發(fā)熱燒毀。所以當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，二次電壓回路的電壓仍然為對(duì)稱的相電壓，不能反映系統(tǒng)單相接地時(shí)一次回路電壓的升高，即不能接供絕緣檢查電壓表，無(wú)法檢查電網(wǎng)的絕緣狀況。

2 三相四元件的分體式防諧振電壓互感器的接線方式

分布極為廣泛的10 KV電力系統(tǒng)常常因?yàn)閱蜗嘟拥貢r(shí)而發(fā)生鐵磁諧振。為了減少或杜絕鐵磁諧振，隨后，我市系統(tǒng)內(nèi)廣泛采用了分體式防諧振電壓互感器的接線方式，如圖2a，即采用在三相一次繞組中性點(diǎn)與地之間增加一零序電壓互感器的四元件接線，其接地時(shí)的相量如圖2b。三只接于相電壓的互感器按常用的互感器選取，其中剩余繞組電壓為0.1/3KV，三個(gè)剩余繞組接成閉合三角形以消除三次諧波和吸收諧振能量而消除諧振。中性點(diǎn)電壓互感器變比為10/√3/0.1/√3/0.1KV。0.1KV繞組引出零序電壓.

其正常運(yùn)行和接地時(shí)的相量如圖2b。正常運(yùn)行時(shí)，母線電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)N電壓為零，與地同一電位，三相一次繞組均承受相電壓，零序電壓互感器一，二次繞組電壓均為零。所以二次各相電壓均為相電壓，并互差120度，其相量按對(duì)稱星形排列，開口三角形為互差120度的三相電壓矢量和，所以無(wú)電壓輸出。假如C相接地，由圖中接線和極性可以看出：C相電壓互感器YHC與零序電壓互感器YHN是一并聯(lián)關(guān)系。如各相電壓互感器的阻抗很大很大(理想情況)，則可以認(rèn)為各相電壓互感器仍然承受對(duì)稱的相電壓。二次繞組A，B，C相的電壓與零序電壓互感器的電壓補(bǔ)償繞組YHn二次電壓相加，其中A，B相對(duì)地電壓分別升高√3倍，C相電壓為零，三相母線絕緣監(jiān)察表計(jì)的測(cè)值能正確反映一次系統(tǒng)電壓狀況。而開口三角形兩端電壓為零，所以往往采用將其兩端短接來(lái)消除鐵磁諧振。

而實(shí)際情況并非完全如此，各相電壓互感器的阻抗并不是很大的理想情況，在一次線路發(fā)生接地后，中性點(diǎn)N發(fā)生位移，其相量見圖2b。如各相電壓互感器和零序電壓互感器阻抗相同，則C相電壓互感器和零序電壓互感器一次繞組電壓約為0.75倍額定相電壓，A，B相互感器繞組的電壓上升為1.15倍相電壓，仍遠(yuǎn)低于未安裝零序電壓互感器時(shí)的√3倍相電壓,電壓互感器的鐵芯不易達(dá)到飽和狀態(tài)，其感抗也減少不多，有效地防止了鐵磁諧振的發(fā)生。而二次A，B，C相對(duì)地N600的電壓分別為本相電壓與零序YHn二次電壓相量相加，其中A，B相電壓升高√3倍，C相電壓為零，能夠正確反映單相接地時(shí)相電壓的變化情況。要注意的是：開口三角形兩端是有電壓的，不短接時(shí)兩端電壓約為25V，所以此種接線的電壓互感器將開口三角形采用直接短接的方式以消除鐵磁諧振，較長(zhǎng)時(shí)間在系統(tǒng)接地運(yùn)行時(shí)，仍然有可能使二次輔助繞組長(zhǎng)時(shí)間流過大電流而燒毀。為了安全可靠，不燒毀設(shè)備，建議仍然采用在開口三角形繞組兩端接入防諧振裝置或一白熾燈以減少諧振。

3 組合式四元件防諧振電壓互感器的接線方式

由于廠家生產(chǎn)出了新的組合式防諧振電壓互感器，隨之在系統(tǒng)中也得到了不少采用。組合式防諧振電壓互感器是將全絕緣的三相電壓互感器和中性點(diǎn)電壓互感器組裝成一體,而且沒有二次輔助繞組短接成閉口三角形的問題。該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造上就保證了具有防止鐵磁諧振性能。其優(yōu)點(diǎn)是安裝尺寸小，二次接線清楚明了，便于安裝和接線，不易發(fā)生錯(cuò)誤。其具體接線見圖3a，正常運(yùn)行和接地時(shí)的相量如圖3b。

正常運(yùn)行時(shí)，母線電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)N電壓為零，與地同一電位，三相一次繞組均承受相電壓，零序電壓互感器一，二次繞組電壓為零。所以二次各相電壓均為相電壓，并互差120度，其相量按對(duì)稱星形排列，零序二次繞組YHn與YHjy(串聯(lián))無(wú)電壓輸出。假如C相接地，由圖中接線和極性可以看出：C相電壓互感器YHC與零序電壓互感器YHN是一并聯(lián)關(guān)系。在一次線路發(fā)生接地后，中性點(diǎn)N發(fā)生位移，C相電壓互感器和零序電壓互感器一次繞組電壓約為0.75倍額定相電壓，A，B相電壓互感器繞組的電壓僅僅上升為1.15倍相電壓，有效地防止了鐵磁諧振的發(fā)生。而二次A，B，C相對(duì)地N600的電壓分別為本相電壓與零序二次電壓相量相減，其中A，B相電壓升高√3倍，C相電壓為零，能夠正確反映單相接地時(shí)的電壓變化情況，絕緣監(jiān)察儀表能夠正確指示接地相。要注意的是：要求接入零序電壓的電壓負(fù)載(如XJJ)只能接到Y(jié)ML和YMn’之間(接地時(shí)電壓為100V)。公共接地的YMn小母線與YMn’小母線不是等同的。盡管正常運(yùn)行時(shí)，兩者之間并無(wú)電位差。在發(fā)生接地故障時(shí)，兩者之間就有電壓存在，所以YMn和YMn’不能連接起來(lái)，YMn’也不允許接地，這是值得大家特別注意的。

4 增加計(jì)量繞組的四元件防諧振電壓互感器的接線方式

由于對(duì)電能計(jì)量精度要求的提高，目前采用的電壓互感器常在二次回路增加一組高準(zhǔn)確等級(jí)的專用計(jì)量繞組，以對(duì)計(jì)量設(shè)備單獨(dú)供電。專用計(jì)量繞組的中性點(diǎn)，以前我們都是直接接中性線N600。其原理接線見圖4a。有的運(yùn)行單位的同志提出異議，認(rèn)為在發(fā)生單相接地時(shí)，專用計(jì)量繞組三相中性點(diǎn)因無(wú)補(bǔ)償繞組YHn的電壓接入。所以沒有正確反映實(shí)際的一次電壓。對(duì)此問題，筆者認(rèn)為：一是因?yàn)?0KV系統(tǒng)采用的是二元件計(jì)量表計(jì)，接入的是二次相間電壓，即計(jì)量表計(jì)的二個(gè)元件分別接入U(xiǎn)ab,Ubc電壓，并未接入零線N。在發(fā)生單相接地時(shí)，相間電壓的對(duì)稱關(guān)系并未被破壞;再者發(fā)生單相接地時(shí)允許運(yùn)行時(shí)間也不太久，應(yīng)該對(duì)計(jì)量表計(jì)和接入的其他相電壓設(shè)備沒有多大影響。當(dāng)然，可以按嚴(yán)格要求，專用計(jì)量繞組中性點(diǎn)還是應(yīng)按圖4b接線。

5 電壓互感器二次回路擊穿保險(xiǎn)器配置的問題

電壓互感器二次回路的中性點(diǎn)，以前都在各自的配電裝置處直接接地。其作用是防止一次回路絕緣下降，使二次回路躥入高電壓時(shí)，保證工作人員人身安全。由于二次電壓的不平衡以及一次回路故障時(shí)短路電流的影響，會(huì)使零線N在主控制室與配電裝置(電壓互感器)之間存在電位差，給計(jì)量裝置帶來(lái)附加誤差和使零序方向電壓保護(hù)裝置誤動(dòng)作。所以有關(guān)規(guī)程規(guī)定，要求同一變電站內(nèi)的幾組電壓互感器的零線N都在主控制室電壓裝置屏上并接后一點(diǎn)接地。為了檢修電壓互感器時(shí)的人身安全，可以在配電裝置處裝設(shè)擊穿保險(xiǎn)器。

然而，又出現(xiàn)一些新的問題：擊穿保險(xiǎn)器種類繁多，質(zhì)量參差不齊。擊穿保險(xiǎn)器本身?yè)舸╇妷弘x散值就教大。設(shè)計(jì)中怎樣選擇擊穿保險(xiǎn)器，一無(wú)規(guī)程規(guī)定，又無(wú)經(jīng)驗(yàn)可資借鑒。所以在設(shè)計(jì)或生產(chǎn)制造選擇時(shí)，受人為因素影響很大，很難確定是否選用正確。在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中又不易判斷是否完好，當(dāng)擊穿保險(xiǎn)器擊穿后不能恢復(fù)或時(shí)間稍長(zhǎng)時(shí)，就有可能燒壞電壓互感器，或相當(dāng)于電壓互感器回路就有兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，且不易被發(fā)現(xiàn)。因此市公司生技部發(fā)文規(guī)定：凡是四星形接線的PT二次回路，在中性點(diǎn)PT的二次回路的首端與星形中性點(diǎn)連接處與地之間接的放電間隙(擊穿保險(xiǎn)器)一律拆除?，F(xiàn)在采用的電壓互感器有三個(gè)二次電壓繞組，每個(gè)繞組的N回路都裝設(shè)有擊穿保險(xiǎn)器，如圖5所示。在新規(guī)定中，并未提到是否取消其它二次電壓繞組中的擊穿保險(xiǎn)器。筆者認(rèn)為上述提及的所有擊穿保險(xiǎn)器都應(yīng)該取消。其理由在于杜絕其他擊穿保險(xiǎn)器損壞后造成兩點(diǎn)接地(盡管不會(huì)燒毀電壓互感器)，顯然，這是規(guī)程所不允許的。當(dāng)然，在電壓互感器一次未停電而必須要在配電裝置處二次回路工作時(shí)，一定要做好安全預(yù)防措施。

6 改進(jìn)的三相四元件的分體式防諧振電壓互感器的接線方式

由于三相四元件的分體式防諧振電壓互感器的接線方式也存在電壓互感器可能被燒毀的問題，不少單位和生產(chǎn)廠家也在不斷進(jìn)行完善。其中大連第一互感器有限責(zé)任公司對(duì)此進(jìn)行了較好的優(yōu)化改進(jìn)：其原理接線如圖6所示。其接線已取消了開口三角形兩端的短接，避免因電容放電電流使開口三角形繞組燒毀的隱患;使測(cè)量零序電壓準(zhǔn)確;消除主電壓互感器采用開口三角形繞組開路方案的固有的在正常運(yùn)行時(shí)其三相電壓不平衡及零序電壓超標(biāo)現(xiàn)象;有效地抑制超低頻率振蕩電流，消除熔斷器頻繁熔斷現(xiàn)象。

采用改進(jìn)后的三相四元件的分體式防諧振電壓互感器的接線方式，一定要注意三相主電壓互感器必須選擇全絕緣按相電壓設(shè)計(jì)的電壓互感器，零序電壓互感器可以是全絕緣的，也可以是半絕緣結(jié)構(gòu)的電壓互感器。同時(shí)，無(wú)須附加任何其他消諧措施;二次側(cè)任何繞組不允許有兩點(diǎn)接地，否則會(huì)燒毀電壓互感器。對(duì)于電壓二次回路各繞組一定要注意連接極性和接線的正確，才能保證輸出電壓的正確。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前常采用的電壓互感器接線方式主要有兩種：分體式三相四元件電壓互感器接線或一體化電壓互感器接線，都具有防鐵磁諧振功能。如在采用時(shí)，兩者的容量和防鐵磁諧振功能都能夠滿足要求的話，筆者認(rèn)為采用一體化的電壓互感器就更有優(yōu)點(diǎn)一些。體積小，占地少，價(jià)格稍稍便宜。安裝及接線簡(jiǎn)單方便，二次接線已在工廠完成，在現(xiàn)場(chǎng)安裝及檢修時(shí)接線和極性不會(huì)出錯(cuò)。