電壓互感器二次回路故障建模仿真處理

潘鵬飛李 健唐宏丹陳興元

（國網大連供電公司，遼寧 大連 116011）

電壓互感器二次回路故障建模仿真處理

潘鵬飛，李 健，唐宏丹，陳興元

（國網大連供電公司，遼寧 大連 116011）

以大連供電公司變電站自動化監控系統升級改造工程為背景，針對電壓互感器二次回路單相斷線導致測量與計量異常的問題，提出了對故障現場的回路及接線方式建立等效模型，利用PSpice軟件進行模擬仿真的方法，得到電壓互感器在不同的使用情況下，發生單相斷線故障時的的仿真結果，與現場異常發生時的電壓測量值相吻合，找到了發生電壓異常的原因。并利用建立好的物理模型對故障問題進行分析，給出便于監控人員及時發現電壓異常及提高測量精度的處理方法。

電壓互感器；單相故障；物理建模；PSpice

隨著越來越多無人值班變電站的投入運行及智能變電站的開工建設，調度自動化廠站端系統的地位越來越重要，負責完成變電站內電氣量和非電量的采集、處理、傳送及顯示等功能［1］，幫助運行、調度人員監視整個電網狀態。

在實際生產中，變電站內母線相電壓、線電壓是運行值班人員日常巡視最為關注的數據之一。當電壓互感器二次回路出現異常時，運行人員通常通過監控系統便可以對故障進行初步判斷［2］，并進行處理，但出現電壓互感器二次回路單相斷線時，由于其表現特征比較隱蔽很容易被忽略，導致異常情況長時間存在。

本文以220 kV變電站內66 kV母線電壓為研究對象，分析某變電站66 kVⅠ母線電壓互感器二次回路單相（C相）斷開后對整個計量和測量回路的影響，并提出相應的解決措施。

1 接線方式

在電力系統中，電壓互感器的接線方式有多種，其中使用最為廣泛的接線方式是用3臺單相三繞組電壓互感器構成YN，yn，d0或YN，y，d0的接線形式，廣泛應用于3～220 kV系統中，其二次繞組用于測量相間電壓和單相對地電壓，輔助二次繞組接成開口三角形，供接入交流電網絕緣監視儀表和繼電器用，其電壓互感器的一、二次接線如圖1所示。

圖1 電壓互感器的典型接線方式［3］

大連地區電壓互感器的接線方式主要采用圖1所示的典型接線方式，其對應的二次回路設計如下。

a.對于500 kV變電站，電壓互感器二次側的測量回路與計量回路是相互獨立的2個回路，在設備現場端占用電壓互感器2個二次線包，且都為三相四線式接線。

b.220 kV、66 kV變電站采用三相四線式接線，但現場端為2回路公用1個電壓互感器二次線包，單電纜入保護室后分別送入測控裝置和電能計量裝置。測量回路采用三相四線式接入測量儀表，計量回路根據其重要性和精確度分為兩表法和三表法2種接線方式。220 kV間隔采用精度較高的三表法接線方式，66 kV間隔和10 kV間隔則采用兩表法接線方式。

2 異常情況

觀察66 kVⅠ母線、Ⅱ母線電壓，電壓數值顯示全部正常。在遠動后臺機廠站電壓列表中，Ⅰ母線UC并不為0，而是接近單相額定值（約36 kV），UA和UB都是37 kV，線電壓UAC數值異常，僅為3.5 kV左右，UAB、UBC基本正常，都是65 kV左右。用數字萬用表在遠動測控屏后方Ⅰ母線電壓互感器間隔的端子排上進行電壓測量，Ua≈Ub≈Uc≈57 V，Uac≈6.5 V，Uab≈Ubc≈99 V。利用66 kVⅡ母線電壓互感器二次電壓校對Ⅰ母線電壓互感器二次電壓，測量兩段母線同相的電壓差，測得Ua1－a2≈0 V，Ub1－b2≈0 V，Uc1－c2≈98 V。由此確定66 kVⅠ母線C相故障。

為便于分析，將實際的電壓互感器二次回路（如圖2所示）轉換為物理模型所對應的等效電路（如圖3所示）。

圖2 電壓互感器二次回路實際接線

圖3 電壓互感器二次回路等效電路

圖3是利用PSpice軟件繪制的電壓互感器二次回路圖，其中：Va、Vb、Vc表示將電壓互感器二次側等效成理想的正弦電壓源，VOFF表示正弦電壓源的直流偏移電壓，VAMPL表示單相正弦電壓峰值，此處VAMPL＝81.46 V，FREQ表示頻率，PHASE表示各相正弦電壓的相位。Cab、Cbc、Cac、Can、Cbn、Ccn表示從一次現場到保護室間電纜內導線間電容和導線與大地間電容，由于電纜內4根導線規格、長度、截面積、導線間介質等參數基本相同，因此，設定Cab＝Cbc＝Cac＝Can＝Cbn＝Ccn＝1 nf（1 nf為經驗值）。

Ra、Rb、Rc表示自動化測控裝置中電壓測量組件中單相對地輸入電阻，Rab、Rbc、Rca為電能表中電壓測量相關模塊的相間輸入電阻，通常這兩類輸入電阻的阻值都為數兆歐姆，為討論方便，在此設定Ra＝Rb＝Rc＝Rab＝Rbc＝Rca＝5 MΩ（5 MΩ為經驗值）。

Z1、Z2、Z3為電能表電源模塊等效的輸入阻抗。引入電源模塊的輸入阻抗主要是因為在大連地區為了保證電能表的可靠工作，通常采用電壓互感器為電能表供電，由此導致電壓互感器二次回路存在寄生回路。對于電子式電能表，由于其整機功耗通常低于10 VA，因此設定Z1＝Z2＝Z3＝4 kΩ。

3 故障原因

3.1 電能表電源模塊使用電壓互感器供電的情況

由圖3可以看出，正常工作狀態下，整個電壓互感器二次回路基本是三相對稱的，但當電壓互感器二次回路C相斷開后，電能表缺少C相供電（如圖4所示），雖然電能表可以正常運行，但其電源內部與C相供電輸入相關的A、C相之間和B、C相之間不再以電源的輸入阻抗形式出現，而轉變成2個等效負載，這2個等效負載因其電源模塊內部構造原因其對應的阻抗不同，且其中1個阻值較另外1個阻值大很多，從而引起電壓不平衡，此時B、C相之間的等效負載Z2和A、C相之間等效負載Z3分別為200 kΩ和10 kΩ（均為經驗值）。

圖4 給電能表供電的電壓互感器二次回路C相斷線時等效電路

圖5 仿真波形1

利用PSpice軟件對圖4的等效電路進行模擬仿真，得到的波形如圖5所示，可見此時模擬仿真的波形與實際觀測的結果非常相符，從而確定圖4所建立的電壓互感器二次回路模型完全符合66 kVⅠ母線電壓互感器二次回路C相斷開的故障情況。

由圖5可以看出，電壓互感器二次回路C相斷線后，在測控裝置后方端子排上測得的Uc在幅值和相位上與Ua略有差別，其原因分析如下。

a.電能表電源模塊的影響。當C相二次回路斷線時，Z2、Z3阻抗發生變化，造成分壓不均衡，這是導致Uc≈Ua的主要原因。

b.電能表和測控裝置電壓測量元件的影響。由于這兩類元件的輸入電阻始終都保持不變（5 MΩ），且比Z1、Z2、Z3大很多，因此，Ra、Rb、Rc與Rab、Rbc、Rca對測量異常的影響很小，可忽略不計。

c.導線上的等效電容的影響。由于電容容抗很大（50 Hz時1 nf電容的容抗約為31 MΩ），對電壓的影響很小，可忽略不計。

d.由于整個回路系統存在等效串聯電容，在電壓互感器二次回路C相斷開后，C相測量電壓在A、B相電壓激勵下導致延遲，延遲的大小由等效串聯電容的大小決定。

3.2 電能表電源模塊不使用電壓互感器供電的情況

電能表電源模塊不使用電壓互感器供電時二次等效電路如圖6所示，對應的仿真波形如圖7所示。

圖6 電壓互感器二次回路C相斷線等效電路

圖7 仿真波形2

由圖7可知，即使沒有電能表電源模塊的影響，在C相斷開后，測控裝置處依然有電壓存在，且Uc≤Ua／2，遠動后臺機上C相電壓也異常。

3.3 電纜內導線間電容和導線與大地間電容對測量結果的影響

前面的仿真試驗統一設定導線間電容和導線與大地間電容都是1 nf，如果設定Cab＝Cbc＝Cac＝Can＝Cbn＝Ccn＝1 μf，電壓互感器二次回路C相斷線的等效電路仍如圖4所示，則其對應的仿真波形如圖8所示。

圖8 仿真波形3

通過對比圖8和圖5可以看出，圖8中Uc在幅值和相位上與Ua相差很大，這與故障現場情況不符合，且Cab＝Cbc＝Cac＝Can＝Cbn＝Ccn＝1 μf的假設也與實際情況不符，原因在于如果導線間電容為μf量級，則整個測量回路、計量回路甚至保護回路的延遲時間將達到秒數量級，這是不允許發生的。因此，可以確定導線間電容和導線與大地間電容都非常小，對測量的影響可以忽略不計。

4 解決措施

對于大連地區現行的電壓互感器二次回路接線方式，單相（C相）斷開后造成測量異常的主要原因是電能表電源模塊內阻不平衡，而對于電能計量儀表而言不論何種接線方式、何種電壓互感器二次回路結構，電壓互感器單相斷線都將導致嚴重的計量誤差。考慮到自動化測控裝置在現場的功能與作用，可以采取以下措施。

a.遠動后臺監控系統應提供各類模擬量的越限報警，并提供組合邏輯判斷，即在母線停運時，盡管母線電壓低于下限也不產生報警，而母線正常運行時，母線電壓一超過上限或低于下限便產生報警，通知運行監視人員進行處理。

b.對于有條件的變電站，其電壓互感器的測量回路和計量回路應相互獨立，其優點是一個回路故障不影響另一回路，且每一回路的電壓互感器二次負載電流比2個回路共用1個電壓互感器二次線包要小，可提高計量精度［4－5］。

c.運行人員應定時記錄相、線電壓值，發現異常及時報告和處理。

5 結束語

以物理建模的方式對電壓互感器二次回路單相跳閘所引發的異常進行分析，通過模擬仿真，結合現場實際分析了多組參數對模型的影響，給出最符合故障現場的一組參數，并根據分析結果給出相應的二次回路設計建議，提出通過完善自動化監控系統報警功能與日常運行人員維護操作相配合的解決措施，該方案可及時發現回路缺陷，將故障的影響降到最低。由于大連地區220 kV及以下變電站普遍采用電壓互感器對電能表進行供電的接線方式，因此，該物理模型具有普遍性，在其他變電站發生類似異常時也可以利用該模型進行分析。

［1］張永健.電網監控與調度自動化［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］柳永智，劉曉川.電力系統遠動［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］劉 宇.電壓互感器二次回路問題分析與檢查試驗［J］.湖南電力，2006，26（5）：21－23.

［4］翟海峰，白晉華.電壓對電能計量的影響［J］.山西電力，2006，26（1）：46－47.

［5］史 輪，趙 洋，劉仲海，等.電壓互感器二次負荷對誤差的影響［J］.河北電力技術，2006，25（6）：40－42.

Treating and Modeling?Simulation on Faults of TV Secondary Circuits

PAN Pengfei，LI Jian，TANG Hongdan，CHEN Xingyuan
（State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian，Liaoning 116011，China）

This paper is set in substation SCADA system's upgrade in Dalian power supply company，aimming at single?phase voltage faults of TV secondary circuits which lead to measurement problems.A method which establishes an equivalent model based on the fault circuits and the connection modes is put forward.By using PSpice software to simulate，the simulation results corresponds to the abnormal voltages，the reasons are founded out.Some methods are put forward to facilitate monitoring and improve the measurement precision.

TV；single?phase fault；physical modeling；PSpice

TM451

A

1004－7913（2016）11－0052－04

潘鵬飛（1978），男，學士，高級工程師，從事調度自動化技術工作。

2016－08－20）