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(wǎng)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(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011）

以大連供電公司變電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造工程為背景，針對電壓互感器二次回路單相斷線導(dǎo)致測量與計(jì)量異常的問題，提出了對故障現(xiàn)場的回路及接線方式建立等效模型，利用PSpice軟件進(jìn)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(fā)生單相斷線故障時(shí)的的仿真結(jié)果，與現(xiàn)場異常發(fā)生時(shí)的電壓測量值相吻合，找到了發(fā)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(jìn)行分析，給出便于監(jiān)控人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yùn)行及智能變電站的開工建設(shè)，調(diào)度自動(dòng)化廠站端系統(tǒng)的地位越來越重要，負(fù)責(zé)完成變電站內(nèi)電氣量和非電量的采集、處理、傳送及顯示等功能［1］，幫助運(yùn)行、調(diào)度人員監(jiān)視整個(gè)電網(wǎng)狀態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，變電站內(nèi)母線相電壓、線電壓是運(yùn)行值班人員日常巡視最為關(guān)注的數(shù)據(jù)之一。當(dāng)電壓互感器二次回路出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)行人員通常通過監(jiān)控系統(tǒng)便可以對故障進(jìn)行初步判斷［2］，并進(jìn)行處理，但出現(xiàn)電壓互感器二次回路單相斷線時(shí)，由于其表現(xiàn)特征比較隱蔽很容易被忽略，導(dǎo)致異常情況長時(shí)間存在。

本文以220 kV變電站內(nèi)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(gè)計(jì)量和測量回路的影響，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 接線方式

在電力系統(tǒng)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(tái)單相三繞組電壓互感器構(gòu)成YN，yn，d0或YN，y，d0的接線形式，廣泛應(yīng)用于3～220 kV系統(tǒng)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(wǎng)絕緣監(jiān)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(qū)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(yīng)的二次回路設(shè)計(jì)如下。

a.對于500 kV變電站，電壓互感器二次側(cè)的測量回路與計(jì)量回路是相互獨(dú)立的2個(gè)回路，在設(shè)備現(xiàn)場端占用電壓互感器2個(gè)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(xiàn)場端為2回路公用1個(gè)電壓互感器二次線包，單電纜入保護(hù)室后分別送入測控裝置和電能計(jì)量裝置。測量回路采用三相四線式接入測量儀表，計(jì)量回路根據(jù)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(shù)值顯示全部正常。在遠(yuǎn)動(dòng)后臺(tái)機(jī)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(shù)值異常，僅為3.5 kV左右，UAB、UBC基本正常，都是65 kV左右。用數(shù)字萬用表在遠(yuǎn)動(dòng)測控屏后方Ⅰ母線電壓互感器間隔的端子排上進(jìn)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(shí)際的電壓互感器二次回路（如圖2所示）轉(zhuǎn)換為物理模型所對應(yīng)的等效電路（如圖3所示）。

圖2 電壓互感器二次回路實(shí)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(cè)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，F(xiàn)REQ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(xiàn)場到保護(hù)室間電纜內(nèi)導(dǎo)線間電容和導(dǎo)線與大地間電容，由于電纜內(nèi)4根導(dǎo)線規(guī)格、長度、截面積、導(dǎo)線間介質(zhì)等參數(shù)基本相同，因此，設(shè)定Cab＝Cbc＝Cac＝Can＝Cbn＝Ccn＝1 nf（1 nf為經(jīng)驗(yàn)值）。

Ra、Rb、Rc表示自動(dòng)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(guān)模塊的相間輸入電阻，通常這兩類輸入電阻的阻值都為數(shù)兆歐姆，為討論方便，在此設(shè)定Ra＝Rb＝Rc＝Rab＝Rbc＝Rca＝5 MΩ（5 MΩ為經(jīng)驗(yàn)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?yàn)樵诖筮B地區(qū)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(dǎo)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(jī)功耗通常低于10 VA，因此設(shè)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(tài)下，整個(gè)電壓互感器二次回路基本是三相對稱的，但當(dāng)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(yùn)行，但其電源內(nèi)部與C相供電輸入相關(guān)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(xiàn)，而轉(zhuǎn)變成2個(gè)等效負(fù)載，這2個(gè)等效負(fù)載因其電源模塊內(nèi)部構(gòu)造原因其對應(yīng)的阻抗不同，且其中1個(gè)阻值較另外1個(gè)阻值大很多，從而引起電壓不平衡，此時(shí)B、C相之間的等效負(fù)載Z2和A、C相之間等效負(fù)載Z3分別為200 kΩ和10 kΩ（均為經(jīng)驗(yàn)值）。

圖4 給電能表供電的電壓互感器二次回路C相斷線時(shí)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(jìn)行模擬仿真，得到的波形如圖5所示，可見此時(shí)模擬仿真的波形與實(shí)際觀測的結(jié)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(dāng)C相二次回路斷線時(shí)，Z2、Z3阻抗發(fā)生變化，造成分壓不均衡，這是導(dǎo)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(jì)。

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

d.由于整個(gè)回路系統(tǒng)存在等效串聯(lián)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(lì)下導(dǎo)致延遲，延遲的大小由等效串聯(lián)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(shí)二次等效電路如圖6所示，對應(yīng)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(yuǎn)動(dòng)后臺(tái)機(jī)上C相電壓也異常。

3.3 電纜內(nèi)導(dǎo)線間電容和導(dǎo)線與大地間電容對測量結(jié)果的影響

前面的仿真試驗(yàn)統(tǒng)一設(shè)定導(dǎo)線間電容和導(dǎo)線與大地間電容都是1 nf，如果設(shè)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(yīng)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(xiàn)場情況不符合，且Cab＝Cbc＝Cac＝Can＝Cbn＝Ccn＝1 μf的假設(shè)也與實(shí)際情況不符，原因在于如果導(dǎo)線間電容為μf量級(jí)，則整個(gè)測量回路、計(jì)量回路甚至保護(hù)回路的延遲時(shí)間將達(dá)到秒數(shù)量級(jí)，這是不允許發(fā)生的。因此，可以確定導(dǎo)線間電容和導(dǎo)線與大地間電容都非常小，對測量的影響可以忽略不計(jì)。

4 解決措施

對于大連地區(qū)現(xiàn)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(nèi)阻不平衡，而對于電能計(jì)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(jié)構(gòu)，電壓互感器單相斷線都將導(dǎo)致嚴(yán)重的計(jì)量誤差?？紤]到自動(dòng)化測控裝置在現(xiàn)場的功能與作用，可以采取以下措施。

a.遠(yuǎn)動(dòng)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)提供各類模擬量的越限報(bào)警，并提供組合邏輯判斷，即在母線停運(yùn)時(shí)，盡管母線電壓低于下限也不產(chǎn)生報(bào)警，而母線正常運(yùn)行時(shí)，母線電壓一超過上限或低于下限便產(chǎn)生報(bào)警，通知運(yùn)行監(jiān)視人員進(jìn)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(jì)量回路應(yīng)相互獨(dú)立，其優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)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(fù)載電流比2個(gè)回路共用1個(gè)電壓互感器二次線包要小，可提高計(jì)量精度［4－5］。

c.運(yùn)行人員應(yīng)定時(shí)記錄相、線電壓值，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)告和處理。

5 結(jié)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(fā)的異常進(jìn)行分析，通過模擬仿真，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際分析了多組參數(shù)對模型的影響，給出最符合故障現(xiàn)場的一組參數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果給出相應(yīng)的二次回路設(shè)計(jì)建議，提出通過完善自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警功能與日常運(yùn)行人員維護(hù)操作相配合的解決措施，該方案可及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路缺陷，將故障的影響降到最低。由于大連地區(qū)220 kV及以下變電站普遍采用電壓互感器對電能表進(jìn)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(fā)生類似異常時(shí)也可以利用該模型進(jìn)行分析。

［1］張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［2］柳永智，劉曉川.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)［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(yàn)［J］.湖南電力，2006，26（5）：21－23.

［4］翟海峰，白晉華.電壓對電能計(jì)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(fù)荷對誤差的影響［J］.河北電力技術(shù)，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(xué)士，高級(jí)工程師，從事調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)工作。

2016－08－20）