斷路器分開時錯誤計量電能故障分析

陳紅，鄧滔，楊建文，歐朝龍，陳福勝

(1湖南省電力公司株洲電業(yè)局，湖南株洲 412000;2.湖南省電力公司長沙電業(yè)局，湖南長沙 410002;3湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007)

某水電廠將35 kV線路414開關(guān)設(shè)備更換 (斷路器和電流互感器合二為一)后投入系統(tǒng)帶負荷運行且電能計量正常。而當414線路投切為熱備用狀態(tài) (即斷路器分開、兩側(cè)的隔離刀閘合上)，運行人員在抄表時卻發(fā)現(xiàn)電能表正在計量反向下網(wǎng)電量 (實時功率約為－10 W)，每天折算電量約3 000 kWh，幾天的時間就已造成錯誤電能達數(shù)萬千瓦時。

1 調(diào)查分析與處理

針對此計量故障，技術(shù)人員在現(xiàn)場進行了大量的調(diào)查分析和測試。

現(xiàn)場運行情況為414和402線路的斷路器投切為分開狀態(tài)，一次線路中不可能有電流通過，其電能表的二次電壓回路接到母線電壓互感器，計量方式為三相三線制。在現(xiàn)場測試時，電能表端的二次實時功率為－10 W，二次電壓為Uab=106 V，Ucb=105 V，二次電流為Ia=36 mA，Ic=109 mA。這是由于414二次電流回路中存在較大的二次電流造成了錯誤計量電能。

電流互感器型號為LZZBJ4－35，電流變比為300/5A，二次繞組有3個:1S1－1S2，0.2級 (計量);2S1－2S2，0.5 級 (測量/保護);3S1－3S2，D級 (母差保護)。

為了查明此錯誤二次電流的來源，采用電能表現(xiàn)場校驗儀在414二次電流端子箱來測量A相和C相電流互感器 (B相二次全部短接，未使用)所有二次繞組的電流，校驗儀的a，b，c三相電流測量端每次分別接入了每相電流互感器的3S1－3S2，2S1－2S2，1S1－1S2;同時，為了正確測量3個電流的向量，將校驗儀的三相電壓并聯(lián)在一起接入一個小電壓作為參考向量，即Ua/Ub/Uc接3S1，Un接3S2，如圖1。

圖1 現(xiàn)場測量TA 3個二次繞組的接線方法

圖2 電流互感器3個二次繞組的電流向量圖

現(xiàn)場所測實時電流向量圖如圖2。由圖2可看出，二次母差保護繞組的電流與其它2個繞組方向基本相反，計量、測量繞組基本同相;而且，A相二次母差保護繞組電流的大小 (34 mA)與其它2個繞組 (22 mA)的基本相等，C相3個二次繞組的電流基本相等 (都為100 mA左右)。當用二次短接線短接3S1－3S2D級二次繞組時，其它2個繞組中的電流為0。為此，初步判斷這是由于母差保護二次不平衡電流作為電流互感器的激磁電流而產(chǎn)生了計量和測量繞組中的感應電流，并使電能表產(chǎn)生了電能計量。

在現(xiàn)場通過多次改變設(shè)備的不同狀態(tài)來查清故障的直接原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn):在采用圖1所示方法進行測試時，將斷路器由手動方式操作合上后，其母差繞組中電流基本不變，而在計量和測量繞組中卻基本無感應電流 (只有1 mA左右);再將斷路器分開，計量和測量繞組中的感應電流與故障情況相同。由此判斷，電流互感器二次繞組中的電流互感現(xiàn)象是由于裝置結(jié)構(gòu)本身存在缺陷引起的。

為了驗證此類裝置的結(jié)構(gòu)存在缺陷具有普遍性，對同一批次的另一臺尚未安裝的新設(shè)備進行了模擬測試，如圖3所示。當斷路器操作為分開時，在A相和C相分別從其3S1－3S2加入100 mA電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其它2個繞組反向電流都為100 mA左右;當斷路器合上時，同樣在A相和C相分別從其3S1－3S2加入100 mA電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其它2個繞組基本無感應電流。

圖3 現(xiàn)場模擬D級繞組輸入電流測量其它二次繞組的感應電流

另外，也測量了同樣斷路器處于熱備用狀態(tài)的另一條線路402(其斷路器和電流互感器組合設(shè)備尚未更換，仍采用舊型號的設(shè)備)的二次電流，發(fā)現(xiàn)其D級二次繞組也有約20 mA的電流，但測量、計量2個繞組的電流很小，只有3 mA左右。

至此，斷定這種設(shè)備確實是由于設(shè)計或安裝的原因在結(jié)構(gòu)上存在缺陷而引起了這種計量故障的發(fā)生。后來，廠家技術(shù)人員到達了現(xiàn)場進行分析處理，發(fā)現(xiàn)裝置中有1個隨斷路器操作連桿上下移動的金屬油杯，在斷路器處于分開狀態(tài)時，金屬油杯下降所處的位置剛好可與電流互感器母差繞組中電流產(chǎn)生的勵磁形成通路，從而在計量和測量繞組中感應產(chǎn)生電流;將此油杯改為塑料材質(zhì)后，裝置工作全部正常。因此，母差保護繞組中雖然存在電流，如磁感應不能形成通路，在電流互感器二次繞組中也不能產(chǎn)生相互感應的電流。

2 工作機理分析

根據(jù)以上現(xiàn)象，從電路原理和互感器的工作原理等方面進行了分析和推導。

2.1 母差保護繞組電流的產(chǎn)生

電流互感器母差保護繞組的誤差等級一般較低，實際誤差可達2%以上。如圖4所示為414斷路器分開時二次電流示意圖，在正常工作狀態(tài)下，母線的一次電流平衡，但電流互感器二次繞組并聯(lián)后，由于多條線路不同電流互感器的測量誤差不能正負完全抵消，累加產(chǎn)生一個不平衡電流I0，不平衡電流I0的一部分經(jīng)分流通過其它電流互感器的母差保護繞組。一般情況下，電流互感器二次繞組阻抗值Z1?母差繼電器電流線圈阻抗值Z0，電流互感器二次繞組的分流電流極小，裝置設(shè)計合理時不會帶來不利影響。

4 C相母差保護電流二次接線及二次電流示意圖

當用互感器二次負荷測試儀對TA的母差保護二次繞組和母差繼電器的電流線圈進行阻抗測試時，結(jié)果為二次繞組 A相 Z=1.25 Ω，cosΦ=0.79，C相Z=0.34 Ω，cosΦ=0.85;母差繼電器電流線圈為A相Z=0.30 Ω，cosΦ=0.24，C相Z=0.29 Ω，cosΦ=0.96。可見，在這種出現(xiàn)故障的裝置中Z1與Z0阻抗值較接近，因此，母差保護繞組中實際分流較大，這也驗證了采用圖2方法所測的電流值A(chǔ)相較小、C相較大的現(xiàn)象。

圖5 斷路器與電流互感器一體裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 母差保護繞組電流勵磁回路的形成

如圖6為引起此計量故障裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。母差保護繞組勵磁磁勢I23N23在鐵質(zhì)金屬油杯與操作機構(gòu)正好運動到下行程極限時，由高磁導率的鐵代替低磁導率的空氣填充磁路間隙，主磁通Φ0大大增加，電流互感器二次繞組相互之間的電磁感應強度增加，因而產(chǎn)生一個較大的互感電流I21，I22;當金屬油杯運動到上行程極限時，磁路間隙全為空氣，主磁通Φ0因回路磁阻較大在二次繞組之間的電磁感應較弱，互感電流I21和I22接近于0。

圖6 單相多繞組互感器二次繞組之間的磁通互相匝鏈現(xiàn)象

2.3 電流互感器二次繞組中互感電流的產(chǎn)生

單相多繞組TA的各繞組之間磁通是互相匝鏈的，一個繞組通過電流時會對另一繞組產(chǎn)生電磁感應，如圖6所示。在本文分析的TA中，其一次磁勢由二次母差不平衡電流經(jīng)414TA二次繞組的分流部分激勵產(chǎn)生，根據(jù)TA的磁勢平衡原理I1N1≈I2N2，即感應磁勢與磁勢大小接近相等，方向相反。因為二次繞組的匝數(shù)相等，所以感應電流與激勵電流大小接近相等，方向相反。

3 技術(shù)措施

(1)采用高電阻率的材料增加電流互感器二次繞組的阻抗，并降低母差保護電流線圈的阻抗，防止母差不平衡電流經(jīng)分流通過電流互感器母差保護二次繞組;

(2)在設(shè)計和安裝一次設(shè)備時，應充分考慮裝置各部件相互之間由于結(jié)構(gòu)位置變化而改變設(shè)備的電磁回路，避免造成工作障礙或故障。

同時，通過對錯誤計量下網(wǎng)電量的推算并核對了變電站側(cè)的正確電量，如實進行追補，保證公平公正性。

〔1〕陳向群．電能計量技能考核培訓教材〔M〕．北京:中國電力出版社，2003．

〔2〕凌子恕．高壓互感器技術(shù)手冊〔M〕．北京:中國電力出版社，2006．

〔3〕吳橋．江蘇某熱電廠上網(wǎng)關(guān)口計量故障分析及電量退補計算〔J〕．江蘇電機工程，2007，(5):19-21．