10kV电压互感器(PT)的选型——对接地故障的测量判断分析探讨

随着经济的不断发展, 对电力资源的需求越来越大, 因而对电网的安全运行要求也越来越高, 相关的规程与反措也在运行过程中不断的刷新和完善。在不断的改扩建新建变电站的过程中也要对电网逐步进行优化, 让运行人员能够更快更好的判断、分析、排除故障, 以保障电网运行安全。

1 电压互感器 (PT) 的工作原理

按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。电磁感应式多用于220kV及以下各种电压等级。电磁感应式电压互感器其工作原理与变压器相同, 基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定, 正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小, 一旦副边发生短路, 电流将急剧增长而烧毁线圈。为此, 电压互感器的原边接有熔断器, 副边可靠接地, 以免原、副边绝缘损毁时, 副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构, 其原边电压为被测电压 (如电力系统的线电压) , 可以单相使用, 也可以用两台接成V-V形作三相使用。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈, 称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形。

随着电网运行能力的提升与技术水平的发展, 相关的技术要求和革新已经反映到了相关设备的设计制造上, 电压互感器就是一个随着电网运行人员和技术的需要不断革新的设备。当下常见的电压互感器其副边 (二次侧) 包含了计量级、保护级和开空三角等线圈, 以同时满足计量、测量、保护接地的运行要求。

2 三相PT的选型

常见的电压互感器分为单相和三相, 如图1所示为三相电压互感器。

三相PT在10kV及以下的电压等级中应用的比较广泛。多年来我们在电网的运行过程中的经验积累和故障总结, 发现传统的10kV三相电压互感器需要进一步完善, 更直接的判断出接地故障, 以更快的速度恢复电网的正常运行。带有补偿绕组的新型10kV三相电压互感器就诞生了, 如图2所示。该型产品的三相Y接二次侧中性点经具有高阻抗的补偿绕组接地, 系统发生单相接地时, 该中性点对地电位为相对地电压, 与系统中性点对地电位相等, 此时各相互感器仍处于正序的三相电压之下, 即互感器的励磁电感不发生变化而不具备发生铁磁谐振的诱因。同时中点与地之间零序电压互感器由正常运行时无电压到有相电压, 接地保护继电器发出接地信息, 实现接地保护。

传统的10kV三相电压互感器 (图1) , 亦称三相抗铁磁谐振电压互感器。正常运行时, 电力系统的三相电压对称, 开口三角绕组上的感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时, 一次侧中性点出现位移, 开口三角绕组就会出现零序电压使保护动作, 从而对电力系统起保护作用;但由于二次侧中性点是接地的, Y型对称电路三相电压仍然平衡, 在实际运维过程中发现, 开口三角有电压能判断有接地故障, 但并不能直接判断是哪一相接地故障;要通过保护、测控等实据和现场验证才能准确判断故障的具体位置, 给运行人员带来了诸多不便。

为了解决这一问题, 我们设计选型, 如果是选择单相PT则不存在这个问题;如果是设计采用10kV三相PT则选择 (图2) 带有补偿绕组的三相P T, 这个问题就得以解决了。

如图2所示, 当一次侧发生单相接地故障 (A) , 二次侧开口电压不为零, YJ则首先可以判断有接地故障;而此状态下, 一次侧A、N两点间的无压降, 电压UA为零, UB, UC电压不变, 二次侧a、n间也无压降, 由于中性线增加一绕组进行补偿, Ub, Uc保持不变, 仍处于正序的三相电压。通过测量的电压显示, 可以直接直观地判断出是哪一相有接地故障。

3 单相PT中性点接地要求

在单相电压互感器 (PT) 施工时对中性点接地有反措要求, 单相PT如图3所示。

电压互感器二次回路与开口三角绕组的接地n线必需各自独立使用电缆芯, 不得公用。以往传统电压互感器的传统接线是将二次绕组的中性线与开口三角绕组的n线合用一芯电缆并接地。这样当线路出口发生单相 (A) 短路接地时, 二次绕组电压Ua应为0伏, 但实际不为零, 当开口三角侧负载阻抗较小时, 加上3U0的电压较高, 那么在开口三角绕组中流过的电流也大, 则n线上会产生电压降使Ua不为零, 直接影响到保护的正确测量。另外二次绕组的中性线与开口三角绕组的n线合用一电缆芯, 在现场的保护接线时也容易把3U0n与3U0L错接, 造成保护不正确动作。所以二次绕组的中性线与开口三角绕组接地线必需分开。同理如果是单相P T, 则二次回路中的保护与计量级绕组的n线也需分开, 以保证保护测量和计量的正确。

电压互感器二次回路和开口三角回路由开关场到控制室的接线的一种常见方式如图4所示:

其特点是共用了由开关场到控制室的接地相电缆芯。就是在开关场接线盒处将o与o’联通, 节省了联线o’n。长期以来, 在运行中还很少反映过它的缺陷。直到微机继电保护普遍采用, 问题也逐渐暴露。微机继电保护采用自产3Uo实现接地方向保护, 由图4可见, 通入微机保护自产3Uo回路的三倍零序电压3Uoj将是:

若3Uo回路负载电阻为R, 电缆芯线on的电阻为r, 按正确极性接线, 则因开口三角回路电压变比为二次回路变比的倍得:

如果因为某种原因, 引起时, 包括实际发生过的控制室侧3Uo端子短路, 3Uoj将与3Uo反方向, 于是接地零序保护正方向拒动而反方向误动。接地阻抗测量元件引入的相电压Uph为Uph与Uon的向量和, 由于Uon向量值将影响阻抗的正确测量所以必需断开oo’, 增加o’n联线。

4 结语

作为电力设计人员对设备的选型首先要满足相关文件和规程的要求, 再结合业主和运行人员的需要对设备进行优选设计。对10kV电压互感器 (PT) 的设计选型, 为便于运行人员准确地判断接地故障, 快速地恢复电网的正常运行, 可选用单相或带补偿绕组的三相电压互感器。

摘要：10kV三相PT, 在过去都选用的是不带补偿绕组的, 在发接地信号时需要进行人工判断。现在在设计过程中三相PT的选型则选用了带有补偿绕组的, 在发生接地故障时通过保护测量的电压显示即可直接判断出是哪一相有接地故障。单相PT二次回路与开口三角绕组的接地n线必需各自独立使用电缆芯, 不得公用。

关键词：三相PT,单相PT,补偿绕组,中性点

参考文献

[1] 国家电力调度通信中心.ISBN　7-5083-0189-7/II.358, 电力系统继电保护实用技术问答[M].北京:中国电力出版社, 1999.