某水電站電壓互感器極性問題分析與探討

林 放

(四川明星電力股份有限公司，四川 遂寧 629000)

1 概 述

某水電站4、5號發(fā)電機在機端電壓互感器屏柜改造完成后進行了并網(wǎng)前一次和二次核相檢查，當進行到二次相位核查時，核相過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常；經(jīng)過現(xiàn)場細致分析和檢查后發(fā)現(xiàn)，為機端電壓互感器屏柜內(nèi)新安裝的機端母線電壓互感器極性接線錯誤。經(jīng)過電壓互感器極性改接正確后，順利完成核相數(shù)據(jù)測試，并在隨后的機組同期操作中成功并入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，避免了該問題引發(fā)的設(shè)備事故。

2 基本情況

2.1 電壓互感器接線情況

電壓互感器(Potential Transformer簡稱PT；Voltage Transformer也簡稱VT[1])在電力系統(tǒng)中主要用來耦合一次和二次系統(tǒng)，作為連接高壓和低壓的中間設(shè)備，一般有電壓測量、電能計量、保護監(jiān)視等幾種功能。根據(jù)一二次繞組數(shù)量，可分為兩圈、三圈、四圈式等幾種，由實際需求決定圈數(shù)。

某水電站共有5臺發(fā)電機組，其中1～3號發(fā)電機并接于6 kVⅠ母，4、5號機組并接于6 kVⅡ母，4、5號機組主接線圖如圖1所示。該水電站選用了兩組四圈式電壓互感器，一組為勵磁系統(tǒng)測量專用，使用了全星型接線；另一組用于機組機端電壓測量、機端輸出功率計量、機組后備保護，單獨的一組開口三角型接線用于檢測發(fā)電機接地。同時，取A、B兩相電壓接入機組同期裝置用于機組同期檢測，機組并網(wǎng)時需通過機端PT和6 kV母線PT進行電壓比較，詳見圖2。

圖1 4、5號機組主接線圖

圖2 電壓互感器接線圖

2.2 電壓互感器的核相方法及結(jié)果分析

設(shè)備改造之后，必須確定一次和二次接線的正確性，檢測電壓互感器的功能完好，需要分別進行一次和二次核相。一次核相的方法較為簡單，就是比較改造點兩側(cè)的A、B、C相電壓旋轉(zhuǎn)方向是否一致并互相相差120°。正常情況下改造點兩側(cè)A、B、C三相電壓旋轉(zhuǎn)方向一致，并互相相差120°。經(jīng)過現(xiàn)場一次核相，滿足判定標準，一次接線正確。

二次核相前一定要保證一次核相正確后再開展。二次核相是通過電壓互感器變換之后檢測二次電壓的相位情況，可以通過保護裝置或交流采樣表的相位檢測功能來比較實現(xiàn)，但對于同期判定則要通過單一電源施加測量。通過將單側(cè)(可以是系統(tǒng)側(cè)或機組側(cè))輸出一個電源同時送到機端PT和母線PT，從而檢測機端PT和母線PT二次電壓的電壓差值。

下面以5號機組為例介紹二次核相的步驟：

正常情況下，母線PT和機端PT都采用同相電壓，且接線組別相同(選用A、B兩相)。在同一電源作用下，利用萬用表測量母線PT的A相對機端PT的A相、母線PT的B相對機端PT的B相電壓，萬用表測量電壓差值應(yīng)在0左右，實際可能因PT差異有微小壓差出現(xiàn)；本次5號機組二次核相結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，用萬用表測量母線PT的A相對機端PT的A相電壓差為120 V、母線PT的B相對機端PT的B相電壓電壓差為120 V，母線PT的B相對機端PT的A相電壓差為60 V、母線PT的A相對機端PT的B相電壓電壓差為60 V。正常情況下，電壓互感器二次電壓在一次電壓為額定值時，線電壓為100 V，相電壓為57.74 V。通過分析，上述數(shù)據(jù)顯然是不對的。經(jīng)過全面檢查，外部引出線沒有發(fā)現(xiàn)異常，那問題明顯出現(xiàn)在電壓互感器本身接線上?，F(xiàn)場對PT接線仔細檢查發(fā)現(xiàn)，一次接線和二次接線同名端接反(極性反向)，將其改接回正確的同名端接線后，開機再次測量電壓A—A，B—B均為0.015 V，二次核相成功。

3 電壓互感器極性分析

3.1 機組同期角度分析

發(fā)電機同期并網(wǎng)，主要是檢測待并側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的電壓三要素(頻率、初相位、最大值)是否一致，以確定合閘并網(wǎng)的點(并網(wǎng)時刻)?？紤]到指令輸出時間的延遲和實際機械動作的滯后時間，一般會有一個并網(wǎng)導前時間，這個時間可以手動設(shè)置，也可以使用合閘反饋來提高精確度。因為交流電為1個旋轉(zhuǎn)矢量，帶有周期特性，在實際并網(wǎng)過程中，即使接線錯誤，只要沒有超出同期裝置設(shè)定幅值差和頻率差的參數(shù)范圍，也能同期合閘成功。如同兩列并跑的列車，雖然速度不同，任意兩個窗口之間總有對上的那一刻，但這個點大概率不會是同期合閘點，所以需要通過規(guī)范3個要素的范圍來確定同期合閘點。幅值不同會產(chǎn)生幅值壓差；相位不同會產(chǎn)生相位壓差；而頻率比較特殊，對它的要求是不能完全一致，但又不能相差太大，完全一致則兩側(cè)永遠不會產(chǎn)生正確交匯點，除非一開始同期就剛好讓幅值、相位在允許范圍內(nèi)；而差距太大，則不容易產(chǎn)生穩(wěn)定的同期點。還是用列車舉例，兩列并跑的列車如果速度完全一致，則差距永遠存在且固定；如果速度差距太大，即使需要的兩個窗口對上也會極快的錯開，應(yīng)用到同期上就是同期點剛捕捉到還沒等脈沖發(fā)出去就又錯開了。

同期合閘是在壓差盡可能小的瞬間同步上去，最后成為一個整體而步調(diào)一致。5號機組合閘測量參數(shù)中，同一電源的相同相位、幅值和頻率是一致的，在PT接線組別一致的情況下，同一電源的初相也是一致；除非PT本身問題或者極性接線錯誤，會造成固定180°的相位差。

3.2 波形圖角度分析

圖3為正常情況下母線和發(fā)電機兩側(cè)波形曲線在t1時刻的疊加狀態(tài)。從圖中可以看出，正常時應(yīng)該是幾乎完全重疊的，在任意瞬間沒有電壓差值，也就沒有壓差導致的電流沖擊；如果PT極性反接，則波形如圖4所示。在任意瞬間(過零時刻除外)，兩側(cè)電壓差值為差值最大，此時造成的合閘沖擊電流也最大，呈現(xiàn)非同期合閘的最大工況，產(chǎn)生20～30倍額定電流作用下的電動力和發(fā)熱量，容易導致定子繞組變形、扭曲、絕緣崩裂，甚至燒損發(fā)電機。

圖3 正常情況下的并網(wǎng)電壓波形圖

圖4 并網(wǎng)電壓測量數(shù)據(jù)波形圖

3.3 向量圖角度分析

從向量圖也可以很直觀地反映出，在幅值相同的情況下，當系統(tǒng)和機組兩側(cè)在極性接線正確的情況下，兩者疊加到一起時是完全重合的(實際存在微小差異)，詳見圖5。當三相極性反接時其疊加向量(圖中A1-A2、A1-B2、B1-B2三條線)為同相位是原值2倍狀態(tài)，不同相位基本等同于第三相數(shù)值(即一個相電壓幅值，60 V附近)，這也是最開始測得的母線側(cè)A相對機組側(cè)A相是120 V，母線側(cè)A相對機組側(cè)B相是60 V的原因。

圖5 正常與非正常時的各側(cè)向量和疊加向量

3.4 根據(jù)波形圖的公式分析

波形圖中反映的是瞬時狀態(tài)，而使用工具測量出來的是有效值，故瞬時值的公式為：

Ut=Um×sin(ωt+φ)

(1)

式中，Ut為電壓順時值(V)；Um為電壓幅值(V)；ω為電壓角頻率(rad/s)；t為時間(s)；φ為初相角(rad)。

電壓有效值的公式為：

(2)

式中，U為電壓有效值(V)；Um為電壓幅值(V)。

將公式(2)代入公式(1)，則：

(3)

4 結(jié) 語

電壓互感器作為一次和二次的連接樞紐，對電力系統(tǒng)和發(fā)電廠主設(shè)備具有極其重要和特別的意義，它實現(xiàn)了二次對一次的監(jiān)視、保護、測量和計量；尤其是保護裝置，如果接錯可能導致誤動或拒動情況發(fā)生，甚至引發(fā)嚴重設(shè)備事故或電網(wǎng)事故。而極性錯誤也是極其容易出現(xiàn)的問題，所以針對PT或CT等一類裝置的投運、調(diào)試和試驗就必須細心、謹慎和規(guī)范，在投運之后不可隨意改變其接線和運行方式；如果必須改變，則一定要按照國家和行業(yè)的標準及規(guī)范來執(zhí)行。