淺析電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響

云南電網公司大理供電局 楊 浩 趙國忠 楊虎英

當前電力市場交易規模不斷擴大，傳統依靠人力現場抄表計量、周期性校驗電量的方式已經不能滿足電能計量的需求。受到城市電纜架設要求的影響，輸電線路數量增加，電纜對地電電容也相應大規模增長。電力行業開始逐漸利用智能電網對電能進行可靠檢驗和測量。電壓互感器和電能表是智能電網的重要組成。電能表對采樣輸入的電壓和電壓值進行數值模擬轉化，傳輸至變電站控制中心進行分析與存儲[1]。智能電能表具備數字化計量功能，可以減少站內設備，起到獨立監測的作用。

隨著電網規模的不斷擴大，電壓互感器和電能表等裝置也增多。電量負荷的增加對電能計量提出了更高的要求。由于電能計量偏差問題導致的設備運行故障問題常有發生。按照當前的供電負荷水平，電能計量故障嚴重時還會為威脅運維人員人身安全和電網運行穩定性，對社會發展產生重大影響。對此，需要保證電能計量的準確性和穩定性。電壓互感器能夠監測電壓，同時在線路發生故障時可以起到繼電保護的作用，避免重要設備燒毀。在電能表計量中，電壓互感器中性點對地存在電壓會對測量結果產生影響。

當電能表計量線路出現基頻諧振現象時，電壓互感器中性點發生偏移，導致接線故障。為避免故障問題的出現，對電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響進行研究。根據電壓互感器工作原理，一段獨立線路通常包含一只電壓互感器，二次電壓由繼電保護裝置端口輸出。受到中性點電壓偏移的影響，電能表計量線路的三相電壓由飽和相轉變為不飽和相，電壓數值低于額定值。為避免線路發生諧振導致電壓故障，需要控制電源自振頻率，防止中性點不接地電壓偏離。通過改變中性點接地電感，降低線路零序等效電容的方式，改變高壓側相關參數，降低回路電流，達到抑制接線故障的目的。本文對此問題開展研究，降低突發性事故的發生概率，在一定程度上可以減少線路故障損失。

1 電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響

1.1 電壓互感器工作原理

在智能電能計量中，電壓互感器能夠對電壓和電流值進行合并，采樣后向二次側輸出。數據經過電能表的處理，相關電能數據經過通信協議的解析，為后續的測控和設備保護裝置提供采樣報文。解析得到的電流和電壓值是電網線路和設備的數據基礎。電能計量表的數據經過通信網絡傳輸至調度服務器和監控平臺終端，讀取遠程電能并進行數據管理。電壓互感器將采集的高電壓轉化為100V以內的低電壓，起到降壓作用[2]。導體內部感應電動勢變化，測量過程近似處于空載狀態。其運行容量顯著低于變壓器，適合應用于小功率能量的傳輸。

電壓互感器由傳輸裝置、二次轉換器、電壓及電流傳感器等設備組成。傳感器采集的電壓和電流信號經過數字接口轉換為數字模擬信號，起到繼電保護和電氣測量的作用。合并單元對多線路電流和電壓的采集結果進行空間差值和時間同步處理，實現電源側電能測量。在電能表計量過程當中，一段獨立線路通常包含一只電壓互感器。本體二次端子與PT端子箱通過引線相連接，二次電壓傳輸至匯控柜[3]。各分段的二次電壓經過引線回路的轉換后，由繼電保護裝置端口輸出。互感器的二次電壓提高了設備運行的穩定性，在線路某一節點出現故障而斷開時，故障分段的電壓可由其它并行分段的互感器電壓代替。

1.2 電壓互感器中性點對地存在電壓對計量的影響

當電能表計量線路出現基頻諧振現象時，電壓互感器中性點發生偏移。正常線路中中性點電壓為0V，三相導納表現為容性，電壓在數值上十分接近。接線故障后，中性點電壓表現出增高的趨勢，三相導納中部分轉變為容性。受到中性點電壓偏移的影響，電能表計量線路的三相電壓由飽和相轉變為不飽和相[4]。三相電壓發生偏移，數值上表現為低于正常接線電壓值。

中性點電位偏移量的計算公式為：ΔU=(R1W1+R2W2+R3W3)/(W1+W2+W3)，式中，ΔU表示中性點電位偏移量；R1，R2和R3分別表示電源等效三相電壓；W1，W2和W3分別表示三相支路等值導納。發生接線故障后，通常會出現其中兩相嚴重飽和的情況。此時，兩相的電感電流增大，導納轉變成感性。

中性點電位偏移量轉化為以下公式：ΔU=R1(1+1/(f2αβ))/(1-2/(f2αβ))，式中，f表示電源頻率；α表示電壓互感器電感；β表示電流電容。PT的勵磁電感隨電流的變化而變化，當電源頻率達到一定頻次時，出現過電壓故障。

為避免線路發生諧振導致電壓故障，需要控制電源自振頻率，防止中性點不接地電壓偏離。故障時刻，過電壓初始值達到最大幅值，此后開始衰減，三相電壓值開始低于額定數值。因此，中性點對地電壓會導致三相電壓發生偏移、引發接線故障，增加線路有功損耗，不利于線路規劃和運行。電力企業應將電壓互感器中性點對地存在電壓損失加入電能計量方案中。

1.3 電能表接線故障的處理措施

為避免出現電壓互感器中性點對地存在電壓導致的線路故障問題，需要改變中性點接地電感，降低線路零序等效電容。中性點利用消弧線圈補償單相電容電流，防止接地時產生不穩定的短路電流，從而起到抑制電壓的作用。當電能表線路處于完全補償狀態時故障位置的電流為0。中性點的零序電容完全補償后，電流表現為周期性衰減趨勢。三相電壓對應的暫態過電流轉化為勵磁電流，經過平穩過渡恢復至正常的相電壓，故障處的暫態過電流得到抑制[5]。

當電能表線路處于過補償和欠補償狀態時，電流變化趨勢相同，過電流得到有效抑制。在電能計量裝置故障位置處，利用4PT接線方式串接單相電壓互感器，以此改變高壓側相關參數，降低回路電流。4PT接線方式串聯增加三倍的勵磁電感，等效支路電感增大，就會有較小的暫態過電流流經計量裝置[6]。此時，線路內部的電流變化趨勢與完全補償狀態相同，取得較好的故障抑制效果。

通過改變電壓互感器的輔助繞組參數，可以達到改變中性點接地電阻的目的，從而效果串接電阻對接線電容的影響。正常運行狀態下，輔助繞組中沒有電流經過，對電壓互感器不產生作用。電能計量裝置發生線路故障時，受到零序電壓的影響，輔助繞組的電阻降低。隨著輔助繞組位置電流的增大，相同端的高壓側電流也增大。為了抑制暫態過電流，可以適當增加輔助繞組的電阻數值，并將其串接成開口三角形，以提升故障電流抑制效果。

2 實驗研究

為驗證電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響結果，設計實驗進行分析。實驗研究的背景為2021年5月某220kV發電廠220kV線路計量裝置。實驗設備主要包括：三相四線57.7/100V，1.5，額定容量為25VA；A電能表，裝置在負荷側，采用V/v接線方式；110kV電壓互感器3只，用以測量線電壓。在電能監控系統中，監測到該裝置的電能表電壓出現異常，三相電壓監測結果分別為Ua=54V，Ub=55.2V，Uc=53V。對此，在現場對該線路計量裝置進行電壓檢測。為避免單次檢測造成的測量偏差，對故障位置的中性點Un對地電壓和三相電壓（Ua、Ub和Uc）連續測量10次，結果如表1所示。

根據表1的結果，處理前線路計量裝置故障位置的中性點Un對地電壓、Ua、Ub和Uc分別為5.9V、54.0V、55.3V和52.8V。因此，該線路計量裝置檢測位置存在線路故障問題。對該位置的電壓互感器進行檢查可知，110kV電壓互感器中性點Un連接導線(3EYH05/N600)，在轉接屏左側端子后未引到電能表屏。經過分析可知，電能表接入電壓互感器的中性點與相電壓不是同一組互感器，因此導致中性點Un對地電壓升高而三相電壓降低。故障線路與非故障線路的電力負荷移動方向相同，接地產生的電容電流導致電壓降低。同時，電壓互感性中性點發生較大的偏移，因此表現出5.9V電壓的異常情況。對此，需要通過電壓互感器產生容性電流，對計量裝置故障位置進行電壓補償。

表1 處理前測量結果

將110kV電壓互感器的中性點Un連接導線(3EYH05/N600)，引到電能表屏。解除原來電能表接入的Un連接導線，接入電壓互感器中性線(3EYH05/N600)。處理完畢后對該線路計量裝置進行電壓檢測，檢測結果如圖1所示：Un對地電壓0V、Ua對Un59.8V、Ub對Un59.8V、Uc對Un59.4V。

圖1 處理后故障位置的檢測結果

同理，對處理后的線路計量裝置的中性點Un對地電壓和三相電壓（Ua、Ub和Uc）連續測量10次，結果如表2所示。

根據表2的結果，處理后線路計量裝置故障位置的中性點Un對地電壓、Ua、Ub和Uc分別為0.0V、59.7V、59.8V和59.6V。電壓互感器中性點對地存在電壓對三相電壓計量存在一定影響。經過處理后，回路接線正確，中性點Un對地電壓恢復至0V。采用本文的處理措施能夠抑制接地電壓、消除諧振現象，降低電壓互感器的對地電壓。線路中的三相負荷得到平衡，Ua、Ub和Uc均恢復至正常數值范圍，電能表計量裝置引起的接線故障得到消除。綜合上述研究過程，本文研究能夠有效提升電能計量效果，提升線損管理水平。

表2 處理后測量結果

綜上，基于電壓互感器和電能計量表的計量裝置在智能電網中得到廣泛的應用。電磁諧振和電流諧波等異常因素對電能計量產生了影響，造成負荷測量結果不準確。本文對電壓互感器中性點對地存在電壓對電能表計量的影響進行研究，并提出解決接線故障的措施。

經過對現場實際運行工況的檢驗，本文研究通過對電壓互感器連接導線的合理布置，能夠對實負荷和虛負荷進行有效校驗，將中性點Un對地電壓恢復至0V，線路三相電壓也達到正常數值。供電企業在對用戶側進行電能計量時，需將中性點對地電壓造成的接地故障納入運維策略中，提升線路工程的實用性。后續研究可針對單相接地過程中諧振過電壓進行研究，增強電網線路系統的電容電流，避免出現電壓突增導致的電能計量讀數不穩現象。