10 kV電力系統三相電能計量裝置接線方式的討論

丁國峰, 鄔程歡, 王 揚, 周和平

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為提高供電可靠性,10 kV電力系統中性點通常采用不接地或經消弧線圈接地這兩種運行方式。基于以上運行方式,電力系統運行規程規定,在系統發生單相接地故障時,允許帶接地點運行2 h。在此情況下,為保證三相電能計量裝置的計量準確性及系統安全運行的可靠性,必須確定最合適的接線方式。

1 中性點不接地

10 kV系統較普遍采用中性點不接地運行方式。依據基爾霍夫節點電流定律,流入中性點的電流等于流出中性點的電流[1],即IA+IB+IC=0,任意一相電流等于其它兩相反方向電流的向量之和,三相電流對稱相等,IA=-(IB+IC),IB=-(IC+IA),IC=-(IA+IB)。三相電能計量裝置采用Y0/y0接線方式,如圖1所示,對應向量圖如圖2所示[2]。

圖1 三相電能計量裝置Y0/y0接線方式

圖2 圖1對應向量圖

電能表有三個計量元件,每一個計量元件的電壓線圈承受的都是相電壓,與其對應的電流線圈流過的是相電流。三相四線制電能表計量的三相功率P為[1,3]:

(1)

式中:Ua、Ub、Uc為各相相電壓;Ia、Ib、Ic為各相相電流;Ux為線電壓;Ix為線電流,φ為功率因數角,φa=φb=φc=φ。

對于計量裝置V/v接線方式,通常采用兩臺單相電壓互感器,接成不完全三角形,如圖3所示[4-5],對應系統電壓向量圖如圖4所示,對應電壓互感器電壓向量圖如圖5所示。

圖3 兩臺單相電壓互感器不完全三角形接線

圖4 圖3對應系統電壓向量圖

單相電壓互感器一次、二次側繞組分別標有A、X、a、x極性端,第一臺電壓互感器跨接在A、B相上,承受線電壓UAB,第二臺電壓互感器跨接在B、C相上,B相為公共點,承受線電壓UCB,有UAB=UA-UB,UCB=UC-UB,且UAB=UCB=UCA,構成等邊不完全三角形。

圖5 圖3對應電壓互感器電壓向量圖

三相電能計量裝置V/v接線方式如圖6所示,對應向量圖如圖7所示[6]。

圖6 三相電能計量裝置V/v接線方式

圖7 圖6對應向量圖

以V/v 接線方式中B相為公共點為例,電流互感器分別串接在A、C相中,采用兩個計量元件,第一個計量元件的電壓線圈承受線電壓Uab,與其對應的電流線圈流過線電流Ia,Uab與Ia之間的夾角為30°+φa,第二個計量元件的電壓和電流值分別為Ucb與Ic,兩者向量之間的夾角為30°-φc。三相三線制電能表計量的三相功率P為[7-8]:

(2)

通過上述計量分析,可見三相電能計量裝置Y0/y0及V/v這兩種接線方式在10 kV電力系統中性點不接地運行方式下,均能正確計量三相功率。

2 中性點經消弧線圈接地

10 kV電力系統中性點采用不接地運行方式,在系統發生單相接地故障時,常因接地產生的弧光而引起過電壓,燒毀運行設備。為此,一些地區10 kV電力系統采用中性點經消弧線圈接地運行方式,如圖8所示[9]。

圖8 中性點經消弧線圈接地方式

圖8中,Pc為消弧線圈,CA、CB、CC為三相導線對地電容,ICA、ICB、ICC為三相電容電流。三相導線對地電容值不等,ICA+ICB+ICC=ICO,ICO經大地流回到電源的中性點。在這種運行方式下,三相電能計量裝置采用Y0/y0接線方式,三相導線均串接電流互感器,ICO零序電容電流被計量在表計中。若計量裝置采用V/v接線方式,則僅在A、C相中串接電流互感器,三相電流平衡方程為ICA+ICB+ICC=0,三相導線對地電容電流的平衡方程為ICA+ICB+ICC=ICO,零序電容電流ICO未被計量在表計中。由此可見,三相導線對地電容值相差越大,計量誤差也就越大。

3 單相接地故障

為提高供電可靠性,10 kV系統發生單相接地故障時,系統中性點無論是經消弧線圈接地還是不接地,繼電保護均不作用于跳閘,而僅是發出警報信號。假設A相接地,如圖9所示,各相電壓變化如圖10所示[10]。

正常運行時,三相電壓基本對稱相等,中性點電壓Uo視為0,與大地等電位。當系統A相發生接地故障時,A相對地電壓UA為0,中性點電壓發生位移,對地升高為相電壓,與原A相電壓相位相同,B、C相對地電壓則升高為原來的1.73倍,即升高為線電壓。由圖10可以看出,系統發生單相接地,相電壓發生了變化,但并沒有改變線電壓的對稱性。對于Y0/y0接線方式,因B、C相繞組對地電壓升高為原來的1.73倍,勵磁電流也隨之增大,易引發磁飽和及鐵磁諧振。而對于V/v接線方式,無論正常運行或是系統發生單相接地故障,所承受的電壓均為線電壓,因此不會引發上述問題。

圖9 電源A相接地

圖10 圖9對應電壓向量圖

4 結論

通過上述分析,從計量準確性和安全運行的角度考慮,對于10 kV電力系統中性點不接地方式,三相電能計量裝置采用V/v接線方式為宜;對于中性點經消弧線圈接地方式,三相電能計量裝置采用Y0/y0接線方式為正確選擇,同時應做好系統在發生單相接地故障時對電壓互感器的保護措施。