電壓互感器二次回路壓降對電能計量的影響及對策分析

曾亞斌，劉梓俊，劉萬民

（萍鄉(xiāng)市綜合檢驗檢測認證院計量所，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

通常情況下，就算是采用完全符合國家規(guī)定標準的電能表和互感器，仍然會出現(xiàn)由于電壓互感器二次側(cè)到電能表的二次回路壓降而使得測量結(jié)果存在誤差，這也是導致電能計量裝置誤差最主要的原因之一。

1 電壓互感器二次回路的接線形式

對于從110 kV到35 kV的電壓互感器二極連接，會在其高電壓端口配置熔斷器，而不會為二極添加任何其他安全設備或保護措施，這有助于降低電壓互感器的二級電路阻力。通過比較電壓互感和計量儀表間的實際距離，可以得到如下結(jié)論：當兩者間距超過10 m時，若要測試電壓互感的阻抗，需要保持其一極開關處于開啟狀態(tài)以完成實驗連線。

為避免在檢測電壓變壓器的電壓損失過程中斷開其主電源開關并執(zhí)行實驗連接，選擇讓電壓變壓器的次級輸出進入專用的連接箱A中。通常來說，這個連接點和連接箱的間距不超過0.5 m，因此無需擔心它們之間可能產(chǎn)生的電壓下降問題。當需要對電壓變壓器的次級電壓損失進行評估的時候，可以通過把次級電纜線接到專門用于計量設備的連接箱B來計算它們的電壓損耗。

通常情況下，電壓互感器的次級連接到電能計量設備的接口模塊中。此種安裝模式常見于電壓互感器被置于移動式配電箱內(nèi)，一旦通電之后便不再需要維護，因此其產(chǎn)生的壓降難以檢測。然而，實際上此類“插件”的使用頻率較高，且由于觸點間的電阻不可忽視。

關于110 kV以上等級的電壓互感器的二次連接方式。由于其一次側(cè)并未安裝熔斷器，所以二極側(cè)需要配置防護裝置如熔斷器或者快切式空氣開關，以便防止由于電壓互感器出現(xiàn)的短路所造成的問題。對于主供電源而言，在保障計量準確性的基礎上，為了便于密封，通常會在電壓互感器桿下方安裝一個專用的終端箱。在箱體內(nèi)部置入接線盒A和快速空氣開關ZKK，然后讓二極電纜直通至電能表接線盒B，這樣可以計算出自接線盒A至電能表間的電壓損失，并且每兩年需對電壓互感器二極端子接口進行一次檢修及清理銹蝕等狀況。ZKK應該采用單相式的快切式空氣開關，這有助于逐個對互感器一相性能進行檢測。與此同時，在測試時還需要注意保持安全的距離。除此以外，還必須要保證電壓互感器電纜的前段、中段和后段三個位置的保護層金屬部位有效接地，以此來抵御外部磁場產(chǎn)生的電位干擾，從而保障電壓損失測量的精準度。

2 降低二次壓降的措施

為了確保電力測量精確無誤并維持系統(tǒng)的平穩(wěn)運作，應減少電壓互感器的二次壓降。這種努力可以概括為三個主要方向：通過優(yōu)化線路阻抗來減輕其負擔；通過縮小電路中的電流以達到同樣的目的；最后是使用額外的補償設備進一步提升效果。以下是對這些方法實施步驟的詳細描述。

2.1 降低回路阻抗

所有的研究都聚焦于二次壓降及其降低方法上，其中首次關注的是電壓互感器的二次回路阻抗作為導致二次壓降的主要原因之一。通過前面的探討，已經(jīng)明確了這個阻抗由三大部分構(gòu)成：導線的阻抗、連接部件內(nèi)的阻力和觸點電阻。

2.1.1 導線阻抗

因為電壓互感器的次級電路長度通常為100～500 m不等，且其導線尺寸較小，因此次級電路的導線電阻成為主要關注點之一。針對電壓次級的回路，接入導線的橫截面需要按照可接受的電壓損失來決定，最起碼不能低于2.5 mm。然而，實際上，電壓互感器的次級回路線路的橫截面往往會選擇6 mm。

2.1.2 接插元件內(nèi)阻

由于電壓互感器二次電路中包括了刀閘、保險、轉(zhuǎn)接端子或者壓力插件等連接元素，在不影響交流阻力大小的情況下，各部分的自阻和可視為一個固定值，這個數(shù)值非常微小且難以降低。

2.1.3 接觸電阻

眾多研究報告顯示，在電壓互感器的次級線路阻抗里，觸點電阻占據(jù)了相當?shù)谋壤?，它的穩(wěn)定度受到與之連接的觸點的狀況、施加于它們的力以及觸點表面的氧化程度等多種因素影響，因此，這個數(shù)值必然會產(chǎn)生變動，而且這些變動具有隨機性和無法預知的特點。當情況變得惡劣時，觸點電阻可能超過次級線的自身電阻，有時候甚至是好幾倍的大。在檢測過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)次級線的壓降遠大于預期值，這主要是因為未考慮到觸點電阻的變化幅度可以這么大。

通過對以上研究結(jié)果深入探討后發(fā)現(xiàn)：三項構(gòu)成元素中的電氣線路和連接設備內(nèi)的損耗幾乎保持恒定狀態(tài)而不會發(fā)生顯著的變化；然而最主要的影響因素是觸點之間的相互作用產(chǎn)生的摩擦力導致的損失并呈現(xiàn)出不可預測的特點。因此提出了一種有效減少電力變流器的二極電路負載的方法如下所述。

一是對電壓互感器的二級電路進行更大截區(qū)域?qū)Ь€的替換。

二是定期對接插件和導線的連接部位進行打磨，以盡可能降低接觸阻力。

不管是采用哪一種策略，都無法徹底消除二次回路阻力。

2.2 減小回路電流

通常，電壓互感器的二次測量線圈和保護線圈是獨立的。這些測量線圈的負載包括電能表等設備，所負載的電流不能高于200 ma。因此，實際檢查時，倘若發(fā)現(xiàn)電壓互感器的一次回路電流高于200 ma，就需要通過如下幾種措施降低電流。

2.2.1 采用專用計量回路

現(xiàn)在的電壓互感器二次通常包含幾個繞組，而且測量繞組和維護繞組分別單獨。如果不這樣做，那么電壓互感器二次回路中的電流將會增大。

2.2.2 單獨引出電能表

在存在較多測量繞組表計的情況下，雖然該繞組承載了較高的電壓，但因為只存在電能表計，所以專用線纜形成的電壓會下降。這樣一來，電能表計量回路中的電壓互感器二次回路的壓降也相對較小。

2.2.3 選用多繞組的電壓互感器

在新增或修改電壓互感器的過程中，部分電壓互感器配備了兩組二級主變壓器和一套輔助變壓器?？梢赃x擇其中一組成為專門用于計量電力的二次繞組，這樣就會因只有電能表接入而使得回路內(nèi)的電流減小，從而降低壓力。

2.2.4 電能表計端并接補償電容

因為感應型電力計量器的電源線路是電壓繞組，其阻抗較高，導致通過該繞組的電流（也就是電壓變換器的次級電路中的電流）中含有較大的無功成分，而電壓變換器的次級電路所承載的負荷功率因數(shù)也相對較低。為了減少這種現(xiàn)象，可以在電能表的電壓引腳之間串聯(lián)補償電容，這樣就可以減弱電壓變換器次級電路電流中的無功部分，進而減輕電壓變換器次級電路電流，最終實現(xiàn)降低壓降的目標。然而，在電能表的電壓引腳上連接電容的時候，需要選擇合適的電容大小，通常來說，能夠使壓降角度差異最小的就是理想的選擇值。同時，還需要關注電容的耐壓能力，確保安全穩(wěn)定運行。不過，這個方法尚未得到相關部門的一致認同，因此并沒有被普遍應用，因此建議謹慎實施。

2.3 增加補償裝置

現(xiàn)在的補償器有很多種類，根據(jù)其工作原理，主要包括三種：固定值補償、電流追蹤以及電壓追蹤。

2.3.1 定值補償式

依據(jù)功能特性來區(qū)分的話，可以把固定型補給設備劃歸到兩種類型：主動式的且具有確定性的補充方式；被動型的并且也具備明確的目標設定的方式。對于后者來說，它的運作機制依賴的是使用自動轉(zhuǎn)換開關去調(diào)整比例差異并通過應用偏轉(zhuǎn)線圈技術實現(xiàn)角度上的平衡。借助這個方法能夠使得電力測量儀器所測量的終端電源功率及壓力保持一致的狀態(tài)，以此作為彌補手段的一種體現(xiàn)形式存在。這樣一來就可以有效減少電路中的反射系數(shù)及其流動流量的影響程度，最終導致二階輸出信號下降到最小狀態(tài)下限水平。然而一旦該系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者外部連接出現(xiàn)任何變動情況的時候（比如由于熔化導體而導致的導體的電氣抵抗率增加，或者是因觸頭之間的相互作用力增強）就會造成系統(tǒng)無法正常運行的情況。因此需要采取一種帶有確切目標設定的輔助工具才行——也就是所謂的“帶確認”類型的替代方案才能滿足要求。至于前述提到的那個被動的設置模式則會因為它自身存在的固有的局限性和缺陷問題而不適合用于實際操作中。

2.3.2 電流跟蹤式

基于電氣追蹤式的補救裝置的基本理念在于使用數(shù)字電路來跟隨并生成一種和二極管次級環(huán)形網(wǎng)絡導納相對應的反向?qū)Ъ{，從而使得整個二級系統(tǒng)的總體導納被視為無窮大（0）。如此一來，盡管仍舊有著PT 二級的循環(huán)流量的影響因素，因為其自身的系統(tǒng)內(nèi)阻已經(jīng)變?yōu)榱?，所以產(chǎn)生的損耗也會變成0。這樣的設備能夠有效彌補那些長度較大的初級路線中的導體損失問題。同時也能應對那種初始階段就出現(xiàn)的不穩(wěn)定的電源或者動態(tài)的變化性的電力供應情況，這主要是因為它能保證任何時候相同水平上的壓力下降值始終處于最低狀態(tài)上。然而當涉及的是一些內(nèi)部連接方式有所變動的時候，這個方案就會失靈——也就是一旦斷裂或是短路，它的整體效應就不會再呈現(xiàn)出無限大的數(shù)目上了；因此這也是為什么堅決反對將其應用于解決此類問題的緣故所在：即無論如何都不能讓它們參與進來！

2.3.3 電壓跟蹤式

基于電壓追蹤型補償設備的核心機制在于利用一種采樣線纜，它會把電壓變壓器二極側(cè)電壓信號和電力計量終端電壓信號相互對比，從而生成一個與其二極側(cè)電壓衰減程度一致且反向的電壓加載到電壓變壓器二極側(cè)，使得電壓變壓器二極側(cè)電壓衰減效果被抵消掉。一旦電壓變壓器二極側(cè)電流或者阻抗發(fā)生變動引起了電壓波動，該補償設備便能夠主動跟進這些變化并在必要的時候添加相應的補償電壓來覆蓋電壓變壓器二極側(cè)，以此保證其電壓衰減一直維持在0的狀態(tài)。因此，這類型的補償設備基本上可以應用于各種場景，唯一的缺點就是需要額外鋪設一條用于采集電壓變壓器二極側(cè)電壓信號的線纜。

2.4 其他方法

（1）消除PT二級電路的開關電源、熔斷器和終端排等電氣設備：這種做法能夠防止由于開關電源、熔斷器和終端排交流電阻引起的PT二級壓力，但是一旦撤銷了開關電源和熔斷器電氣設備，計量二級電路就會沒有事故防護，其危害非常重大，因此不建議使用。

（2）調(diào)整電力計量設備：這種方法可以暫時緩解PT次級壓降的問題，然而，由于開關、保險絲和連接點上的觸點會隨時間而發(fā)生變化，導致它們之間的接觸電阻也在不斷增加，從而使得PT次級的壓降也隨之增長。此外，根據(jù)電力計量管理的規(guī)則，這是不允許的行為。

（3）對PT兩次通路進行固定補充：這個方法與調(diào)整快速電能表的策略類似，只是暫時緩解了PT兩次壓降問題，并不適用于移動補充。

3 結(jié)語

總而言之，通過上述研究發(fā)現(xiàn)：二極線圈電路中的壓力損失是由其對應的外部電氣特性及內(nèi)部工作狀態(tài)所決定的兩個主要原因造成的。這些條件會隨著外部情況與操作模式發(fā)生變動：外部的電子設備也會受到外界的影響從而導致自身性能有所調(diào)整，同時內(nèi)部分配的工作流程也在不斷更改中以適應新的需求或任務需要。為了滿足我國發(fā)布的電力測量儀器的技術規(guī)范及其檢測標準Sd 109-83的規(guī)定，就必須深入理解PTS二級電源下降的原因并且制定相應的補救方案來處理這種問題——也就是針對PTS二級供電系統(tǒng)實施必要的修正動作或者補充手段。對于PTS二級輸送系統(tǒng)的控制策略包括減少導線的損耗程度、削弱傳動功率大小還有增加額外的輔助設施這三個方面。前兩項舉措可以在保持現(xiàn)有功能的前提下顯著減輕該種現(xiàn)象的發(fā)生頻率但是無法完全避免，它超過規(guī)定的限度值即不超過PTS的輸出端口信號強度的百分比為0.25%；第三個選項是安裝一種能夠追蹤輸入源動態(tài)特質(zhì)的高精確率調(diào)節(jié)機制，以此實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定且不會超出規(guī)定范圍內(nèi)的目標設定。然而需要注意的是這個過程可能會出現(xiàn)偏差的情況，因此只有當反饋結(jié)果顯示實際效果低于預期時才被認為是有益處的。