詮釋電壓互感器二次回路電壓降的治理措施
隨著電力市場的改革，電能計量關系到直接的經(jīng)濟利益，做好電壓互感器（以下簡稱PT）二次回路壓降的管理與改造工作，對保證電能計費的公正合理意義較大。由于PT二次回路壓降直接影響電能量計量的準確性，嚴重時會危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此本文從分析電壓互感器二次壓降的形成機理入手，并提出最為合理的二次壓降治理方案。
一、緒論
在電力系統(tǒng)中開展電能計量的綜合誤差測試是實現(xiàn)電能正確計量的基本技術措施之一。電能計量的綜合誤差包括電能表、電流互感器、電壓互感器的計量誤差以及電壓互感器到電能表的二次回路線路壓降。當電能表、互感器的計量誤差符合國家有關規(guī)程規(guī)定時，由電壓互感器二次側(cè)到電能表端子之間二次回路線路的電壓降(簡稱為PT二次電壓降)，將導致電壓量測量產(chǎn)生偏差。
PT二次壓降問題是電力發(fā)、輸、變、配企業(yè)普遍存在的問題，它使系統(tǒng)電壓量測量產(chǎn)生偏差，不僅影響電力系統(tǒng)運行質(zhì)量，而且直接導致電能計量誤差，這種計量誤差直接歸算到電能計量綜合誤差之中。
多年來，經(jīng)常發(fā)生電壓互感器二次接線故障，直接影響二次回路的安全運行，給電力生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟造成一定的損失。電壓互感器是一次和二次回路的重要元件，向測量儀表、繼電器的線圈等供電，能正確反映電氣設備的正常運行。每年當春秋陰雨季節(jié)或天氣潮濕、有大霧時，中控室就會經(jīng)常發(fā)出單相接地或電壓降低信號，經(jīng)值班人員切換電壓表，有一相或兩相電壓指示下降，另兩相或一相電壓指示值不變，報告梯調(diào)請電氣二次班前來處理。電氣二次人員對二次回路及繼電保護觸點進行了打磨，對保護的繼電器進行了整定，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)多方查找，發(fā)現(xiàn)35KV母線電壓互感器的二次接線的線頭長年老化，有放電的痕跡。經(jīng)分析，這種戶外式電壓互感器的二次接線引出端比較短，二次配線時所留線頭端子比較短。一般正常運行時，由于北方氣候干燥，常年少雨、灰塵大，空氣中的污物比較多。當天氣是陰雨或潮濕時，就會在電壓互感器的二次接線表面形成一個導電層構成回路，致使電壓互感器的二次側(cè)發(fā)生單相接地或電壓降低。但這不是真正線路上的接地和短路，只是二次回路保護誤發(fā)信號，造成故障，影響了二次回路的穩(wěn)定運行，造成一定的經(jīng)濟損失。
有文獻指出，電壓互感器裝置在變電設備現(xiàn)場，二次電壓需要通過幾十米至幾百米的電纜及各種輔助接點接到控制室，供繼電保護、自動裝置、測量儀表的電壓線圈及電壓回路。這些負載的大小，決定了二次回路電流的大小。由于二次回路電纜導線和各種輔助接點直流電阻的存在，在電纜兩端產(chǎn)生了電壓降，使負載端電壓低于PT端電壓 U伏，產(chǎn)生了幅值(變比)和相角誤差。其誤差大小決定于二次回路直流電阻大小，負載大小(二次電流大小)、性質(zhì)(負載功率因數(shù))及其連接方式。
有文獻指出，某省網(wǎng)年售電100億度，PT二次壓降平均為1伏，按PT二次額定電壓為100伏計算，漏計電能為1億度，按0.2元/度計算，損失電費2000萬元。
有文獻指出，某發(fā)電廠110 kVI段電壓互感器二次回路壓降為0.62%。110kVI段電壓互感器二次回路壓降超標，直接影響到3號發(fā)電機關口電能表計量裝置的準確計量。3號機每年平均上網(wǎng)電量為2億千瓦時，丟失電量△W=W * 0.62%=1240000kWh，即年損失電量達124萬度。
從上述例子中，可以看出PT二次壓降直接影響電能量計量的準確度，由于PT二次壓降的單向性，致使電力企業(yè)漏計電能，導致巨額經(jīng)濟損失;同時對電力系統(tǒng)安全運行也是一種潛在的威脅。
二、電壓互感器二次回路的接線形式
現(xiàn)場運行中按照電壓等級的不同，電壓互感器二次回路采用了不同的接線形式
1、10kV至35kV電壓互感器二次接線 信息來源：ewkbg.com
電壓互感器一次側(cè)(高壓側(cè))有熔絲，二次不設熔絲和任何其他保護設施，以減小電壓互感器二次回路壓降。從電壓互感器與電能表距離的遠近進行如下分析。
電壓互感器與電能表相距較遠(一般大于10m)。為了在測量電壓互感器壓降時，不斷其一次側(cè)刀閘進行試驗接線，采用圖一所示接線形式。電壓互感器二次出線進專用接線盒A，由于一般情況下電壓互感器二次端子與接線盒A之間的距離小于0.5m，可不考慮兩者之間的電壓降。測量電壓互感器二次壓降時，二次電纜線從接線盒A接至電能表專用接線盒B，即可測出其間的電壓降。采用這種接線方式開展測試工作安全、方便。
當電壓互感器與電能表相距較近時，在實際電力客戶接線時又分為兩種情況。
(1)電能表直接裝在電壓互感器柜上(如手車柜)，電壓互感器二次電纜直接進入電能表接線盒B，二次導線截面積大于4mm ，如下圖所示。電能表與電壓互感器二次端子之間連線距離小于lm，一般不考慮電壓降誤差，但至少應每2年1次在停電的情況下檢查和處理電壓互感器二次端子接頭生銹、腐蝕等情況。
(2)電壓互感器二次通過插件接至電能表接線盒，如圖三所示。這種接線方式一般是電壓互感器裝在手車柜上，用上電后就不再管理，壓降不易側(cè)試。實際這類“插件”操作頻繁，接觸電阻不能忽略。
2、110kV及以上電壓互感器二次接線
2、110kV及以上電壓互感器二次接線
電壓互感器一次側(cè)沒有熔絲，電壓互感器二次側(cè)必須裝設保護設備(熔絲或快速空氣開關)，防止電壓互感器二次短路。對于進線供電的情況，為了保證計量準確，便于加封，在電壓互感器桿下裝設專用電壓互感器端子箱，接線方式如圖四所示。將接線盒A和快速開關ZKK裝于電壓互感器二次箱內(nèi)，二次電纜從快速開關ZKK直接接到電能表接線盒B，可測量出從接線盒A到電能表之間的電壓降，同樣電壓互感器二次端子接頭應至少2年1次檢查和處理銹腐等情況。
ZKK應使用單相的快速空氣開關，便于對電壓互感器進行一相一相的測量，同時測量時應有足夠的操作距離，保證工作人員的安全。電壓互感器電纜首端、中端和末端保護層金屬部分一定要可靠接地，以屏蔽外磁場感生的電勢，保證電壓降測量的準確性。
三、降低二次壓降的措施
三、降低二次壓降的措施
由于電壓互感器二次壓降直接影響電能計量的準確性，甚至對系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生不良影響，為此人們在改善二次壓降方面做了大量工作，歸結(jié)起來可以分為降低回路阻抗、減小回路電流和增加補償裝置等三大類降低二次壓降的措施。下面就這三種降低二次壓降措施進行細致分析。
1、降低回路阻抗
在所有關于二次壓降及降壓措施的文獻中，當分析二次壓降的成因時，電壓互感器二次回路阻抗是第一個被關注的參量。根據(jù)前面分析的結(jié)果，電壓互感器二次回路阻抗包括：導線阻抗、接插元件內(nèi)阻和接觸電阻等三個組成部分。
1.1導線阻抗
由于電壓互感器二次回路的長度達100米至500米之間，而且導線截面積過小，因而二次回路導線電阻成為回路阻抗中最被關注的因素。為此在DL/T448-2000《電能計量裝置技術管理規(guī)程》中，對計量用電壓互感器二次回路的側(cè)試作出了相關的規(guī)定：互感器二次回路的連接導線應采用銅質(zhì)單芯絕緣線。對電壓二次回路，連接導線的截面積應按允許的電壓降計算確定，至少應不小于2.5mm 。在實際工作中，電壓互感器二次回路線路的截面積一般選在6mm 。但無論若何選取導線截面積，導線阻抗是存在的，只是量值的大小而已。
1.2接插元件內(nèi)阻 信息來源：ewkbg.com
考慮到電壓互感器二次回路中存在刀閘、保險、轉(zhuǎn)接端子和電壓插件等接插元件，在不考慮接觸電阻的前提下，各元件的自阻和可以認為是一個定值，該值很小，并且不易減小。
1.3接觸電阻
許多文獻指出，在電壓互感器二次回路阻抗中，接觸電阻占很大的比重，其阻值是不穩(wěn)定的，受接觸點狀態(tài)和壓力以及接觸表面氧化等因素的影響，阻值不可避免地發(fā)生變化，且這種變化是隨機的，又是不可預測的。接觸電阻的阻值在不利情況下，將比二次導線本身的電阻還大，有時甚至大到幾倍。測試中，二次線壓降通常都比計算值大許多，其根本原因就是沒有估計到接觸電阻有如此大的變化。
從上述分析中，可以清楚看到，電壓互感器二次回路阻抗的三個組成部分中，可以通過增加導線截面積降低導線阻抗;接插元件內(nèi)阻基本不變;接觸電阻占主導地位，且其阻抗變化具有隨機性。于是得到降低電壓互感器二次回路阻抗的具體方案為：
（1）電壓互感器二次回路更換更大截面積導線；
（2）定期打磨接插元件、導線的接頭，盡量減小接觸阻抗。
但無論采取何種處理手段，都只能將二次回路阻抗減小到一個數(shù)值，不能減小到零。
2.減小回路電流
一般情況下，電壓互感器二次計量繞組與保護繞組是分開的，計量繞組負載為電能表等，負載電流小于200mA，因而現(xiàn)場測試若發(fā)現(xiàn)電壓互感器一次回路電流大于200mA時，可采取以下措施減小電流：
（1）采用專用計量回路
目前電壓互感器二次一般有多個繞組，且計量繞組與保護繞組各自獨立。否則電壓互感器二次回路電流較大。
（2）單獨引出電能表
專用電纜對于計量繞組表計較多的情況，即使該繞組負載電流較大，但通過專用電纜的電流因只有電能表計的負載而減小，因而電能表計回路的電壓互感器二次回路壓降也較小。
（3）選用多繞組的電壓互感器
對于新建或改造電壓互感器的情況，有的電壓互感器有兩個二次主繞組和1個輔助繞組，可取主繞組中的1個作為電能計量專用二次繞組，這樣該回路因只接有電能表而使電流較小，從而壓降也較小。
（4）電能表計端并接補償電容
由于感應式電能表電壓回路為電壓線圈，電抗值較大，使得流過電壓線圈的電流即電壓互感器二次回路電流無功分量較大，電壓互感器二次回路負載功率因數(shù)較低。采用在電能表電壓端子間并接補償電容的方法，可以降低電壓互感器二次回路電流的無功分量，從而降低電壓互感器二次回路電流，達到降低壓降的目的。實際并接電容時，應選好電容值，一般以壓降的角差最小為最佳選值。還應注意電容的耐壓，以保證可靠性。但是此措施由于未被有關部門完全認可，所以并未被廣泛采用，建議慎重使用。
2.5裝設電子電能表 信息來源：ewkbg.com
電子電能表功能全，往往1只表可代替有功、無功，最大需量及復費率等表，因而可減小電能表計數(shù)量，同時電子電能表輸入阻抗高，單只表負載電流只有30mA左右，因而使得電壓互感器二次回路電流大大降低，壓降也就較小。
在上述5種減小電壓互感器二次回路電流的方法中，采用專用計量回路和裝設電子電能表的效果明顯，而且易于實現(xiàn)。但使用上述方法減小電壓互感器二次回路電流方案，只能有效降低回路中電流到一定值，因為該值是由儀表數(shù)量和儀表阻抗性質(zhì)決定的，一旦接線形式和連接儀表數(shù)量確定了，二次回路電流的大小就基本確定了，即由于電壓互感器二次回路接線特點決定了二次回路電流，無論采用何種方法，電壓互感器二次電流不可能等于零。
3.增加補償裝置（雖然是不提倡，但是在方法是卻是可行的，許多文獻上都有這個方法）
目前補償器種類較多，從原理上分，主要有3種：定值補償式、電流跟蹤式、電壓跟蹤式。
3.1定值補償式
定值補償式補償器根據(jù)其工作原理可以分為有源定值補償器和無源定值補償器。無源定值補償器的工作原理是利用自禍變壓器補償比差，利用移相器補償角差。利用此補償器可以將電能表計端電壓與電壓互感器二次端電壓幅值與相位調(diào)至相等，從而達到補償?shù)哪康摹＿@種補償器可以對回路阻抗和回路電流一定的線路調(diào)節(jié)補償電壓，使二次壓降為零。但如果二次回路阻抗或電流發(fā)生變化，例如熔體電阻或端子接觸電阻增大或電壓互感器二次負載電流發(fā)生改變，這種補償器就不能適應了。采用無源定值補償裝置，可靠性相對較高。
有源定值補償器的工作原理是在電壓互感器二次回路中計量儀表接入端口處串入一個定值的電壓源，達到提高計量儀表的入口電勢以抵消二次壓降影響的目的。當電壓互感器二次回路阻抗和回路電流一定時，調(diào)節(jié)補償電壓，使二次壓降接近于零，但二次回路阻抗或電流發(fā)生變化時，這種補償器就不適應了。
總之，定值補償器在電壓互感器二次回路阻抗和回路電流不變的前提下，能夠?qū)Χ螇航颠M行有效補償，由于不能跟蹤電壓互感器二次回路阻抗和回路電流發(fā)生變化而引起二次壓降的變化，因此不可避免地引起電壓互感器二次綜合壓降欠補償或過補償現(xiàn)象發(fā)生。由此可以說，定值補償裝置（無論是有源的，還是無源的）在設計時就存在缺陷，是絕對禁止用于二次壓降補償?shù)摹?/span>
3.2電流跟蹤式 信息來源：ewkbg.com
電流跟蹤式補償器基本原理是利用電子線路通過對電壓互感器二次回路電流的跟蹤產(chǎn)生一個與二次回路阻抗大小相等的負阻抗，最終使二次回路總阻抗等效為零。這樣，即使有PT二次回路電流的存在，由于回路阻抗為零，壓降也為零。這種補償器對于二次線路較長的，可補償線阻。對于PT二次負載不穩(wěn)定、二次電流變化的回路，由于二次回路總阻抗等效為零，可以保持壓降為零。但對于二次回路阻抗變化的情況，則不能自動跟蹤，也就是說，如果熔體電阻或接點接觸電阻發(fā)生改變，則回路等效阻抗就不為零了，這是該補償器的局限性。換句話就是說，電流跟蹤式補償器的設計前提是電壓互感器二次回路阻抗不變，只要跟蹤二次回路變化的電流就可以達到補償二次壓降的目的。從前面對二次回路阻抗的特性分析可以看出，電壓互感器二次回路阻抗是變化的，且具有一定隨機性，顯然電流跟蹤式補償器同樣存在設計缺陷，可能造成過補償或欠補償現(xiàn)象的發(fā)生，因而也是絕對禁止用于二次壓降補償?shù)摹?/span>
3.3電壓跟蹤式
電壓跟蹤式補償器的原理是通過一取樣電纜，將電壓互感器二次端電壓信號與電能表計端電壓信號進行比較，以產(chǎn)生1個與二次回路壓降大小相等，方向相反的電壓疊加于電壓互感器二次回路，使電壓互感器二次回路電壓降等效為零。當電壓互感器二次回路電流或阻抗改變導致回路電壓改變時，補償器自動跟蹤壓降的變化并產(chǎn)生相應變化的補償電壓疊加于電壓互感器二次回路，以保持回路壓降始終為零。因而這種補償器幾乎適用于所有場合，唯一不足的是需同時敷設一條從電壓互感器二次端電壓信號取樣的電纜。
3.4目前應用較多，效率較高的二次壓降自動補償裝置
3.4.1自動補償裝置的原理
PT二次壓降自動跟蹤補償器的原理如圖所示，圖中：
U為PT二次繞組出口a點電壓，U1為二次回路末端電能表端子c點電壓：
U為PT二次回路綜合電阻R (導線電阻和接觸電阻之和)上的壓降，即PT二次回路壓降;
U1為PT二次壓降自動跟蹤補償器的輸出電壓。信息來源：ewkbg.com
當調(diào)整電路參數(shù)得當，使 U= U1，則下式成立：
U1=U- U+ U1=U
即抵消PT二次回路壓降 U的影響，使電能表端子c點的電壓等于PT出口a點的電壓，如同將電能表直接接到PT出口點上。從而達到了提高計量精度、減少計量損失的目的。
3.4.2應用效果
PT二次壓降自動跟蹤補償器要選擇通過權威電力部門的產(chǎn)品型式試驗合格的產(chǎn)品，并結(jié)合本單位的具體情況，選擇相應型號。在投運前，必須進行現(xiàn)場的性能、功能、抗干擾、附加波形失真等試驗，確保裝置的技術指標和功能滿足產(chǎn)品的技術要求和符合現(xiàn)場實際條件。
某發(fā)電單位220kV電壓互感器二次電能計量回路應用PT二次壓降自動跟蹤補償器，效果良好，其投運帶滿負載后PT二次壓降測量值如下表:從下表可知，PT二次壓降自動跟蹤補償器實現(xiàn)了矢量補償，即實現(xiàn)比差和角差的補償，補償后的PT二次壓降小于二次額定電壓的0.2%，完全能滿足電能計量裝置管理規(guī)程的要求，達到了提高計量精度、減少計量損失的目的。
4.其他方法
4.1取消PT二次回路的開關、熔斷器、端子排等:此措施可避免開關、熔斷器、端子排的接觸電阻造成的PT二次壓降，但取消開關、熔斷器設備后，計量二次回路的失去故障保護，后果嚴重，不宜采用。
4.2調(diào)快電能表:此措施可臨時性地解決PT二次壓降問題，但在開關、熔斷器、接線端子上形成的接觸電阻是變化的，隨著時間的推移，導體接觸部位逐漸老化，其接觸電阻亦逐漸增大，PT二次壓降增大。同時，此措施在電能計量管理規(guī)定上是不允許的。
4.3對PT二次同路實施定值補償:此措施與調(diào)快電能表的措施相仿，只能臨時性地解決PT二次壓降問題，不能實施動態(tài)補償
四、結(jié)語
四、結(jié)語
綜上分析，電壓互感器二次回路線路壓降由二次等效阻抗和二次回路電流共同影響。這兩個影響因素又隨環(huán)境和工況不同而變化:二次等效阻抗又隨環(huán)境的變化而變化，二次電流也隨二次運行方式的不同而改變。若要達到國家頒布的電能計量裝置技術管理規(guī)程和電能計量裝置檢驗規(guī)程SD109-83的要求，必須揭示PT二次壓降的產(chǎn)生機理，并設計補償辦法，對電壓互感器的二次負荷進行補償。
電壓互感器二次壓降的治理措施有降低二次回路阻抗、減小回路電流和加裝補償裝置三種。降低二次回路阻抗、減小回路電流兩種方法在保證二次壓降原有性質(zhì)的基礎上，可以有效降低二次壓降，但不能保證二次壓降始終不大于電壓互感器二次出口電壓的0.25%要求；加裝電壓跟蹤式補償裝置，可以保證二次壓降始終不大于電壓互感器二次出口電壓的0.25%要求，但要注意電壓互感器二次壓降單向性的特點，確保欠補償才是有效的。信息來源：ewkbg.com
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