浅谈在配电自动化系统设计中电压互感器的容量的选择

1浅谈在配电自动化系统设计中电压互感器的容量的选择厦门兴厦控电气有限公司徐跃进[择要]本文从装于开关设备的电压互感器容量选定的角度，分析电压互感器的容量对测量精度的影响，分析了可能引起的电压互感器故障的原因，并提出了解决办法。[关键词]电压互感器的精度和容量；计量；PT的过载1.问题的提出（1）在配电自动化系统设计中用户内部的电能考核目前节能减排的要求下日益显得很重要。用户反馈内部计量考核中分计量之和总小于供电局的计量总表；产生计量不准原因不明。（2）用户反馈PT柜的电压互感器经常烧毁(特别是保护和事故音响回路均采用交流AC220V操作)2.分析2.1造成计量不准的原因是a.电流互感器的变比、容量、精度。b.电压互感器的容量、精度。c.二次回路的电压损失d.计量表计本身的精度等等。中压开关设备中常用计量柜电流互感器以及电压互感器的精度均为0.2级，计量柜的互感器专用于供电局计量，仅用于计量表计，因此计量精度可以获得最大范围的保证。而常用进出线柜计量采用的电流互感器以及电压互感器的精度为0.5级。供电局计量的精度俨然已经比进出线柜的计量精度高，因此总表计量值肯定会有差异，但应在互感器和表计的累计误差范围内。然而实际的差异值远不止于精度的误差。通过对一些10KV高压配电系统的实际情况分析，来探讨影响测量差异的其它原因。下图分别为进出线柜2CT，2PT三相三线制计量回路的二次原理图和一次系统图（计量表计装在高压柜上为例）。2图1电流测量回路图2电压测量回路图3配电系统一次系统图如北京某热电厂配电系统（计量表计装在高压柜上为例）有进出线柜约17台,其交流电压信号均取自PT的100V电压。系统中，装长沙威胜电子有限公司的多功能表DSSD3313X100V1.5(6)A(0.5级有功)交流电压回路功耗=4VA共17只，电能表总的消耗功率17X4VA=68VA；装ABB的微机REX521(交流电压100V回路)的功耗=0.5VA共17只，微机交流电压回路的总功耗17X0.5=8.5VA；对整个系统来说，交流100V电压的总功耗为68+8.6=76.5VA（未考虑二次导线功耗）。所以按76.5VA的容量来选PT，则应该选0.5/100VA热极3限输出500VA，才能满足系统有0.5级的测量精度，电能测量才准确。若PT错选0.5/30VA，热极限输出150VA，首先表计负载容量已远远超过30VA，测量精度肯定有较大偏差；其次PT长期过载，就如小马拉大车，很容易烧毁。而每一台柜的电流回路CT如LZZBJ9-12/150B/2S的0.5级的容量是10VA；装在本柜电流回路的精度和容量是能够保证的；若计量表计集中组屏（与高压柜的距离）也要考虑CT的容量的选则。再比如，厦门嵩屿码头配电系统有进出线柜20台，装有20只上海金陵的机械表DS862-23X100V3(6)A功耗＝8VA，电能表总的消耗功率20X8=160VA；另有20只施耐德的微机Sepam20，因无交流电压100V输入，所以微机交流100V电压的功耗不再考虑；对整个系统来说交流100V电压的总功耗为160VA（未考虑二次导线功耗）。若3PT接法选用JDZX10-100.5/30VA热极限150VA的PT，则会因超过极限容量而过热烧坏。因此只能选JDZX9-101.0/180VA热极限400VA的电压互感器；这样才能保证一定的测量精度，同时保护了PT不致损坏。所以在10KV系统的变电站有较多出线的情况可能增加互感器的负载，或因配网自动化需要配套的电力监控装置，或因各种计量表计，或甚至取自PT的交流操作电源等等。当系统中电流回路或电压回路的负荷超过互感器标示的精度范围内的额定容量时，互感器测量精度会明显下降；负荷超出额定输出越大，二次输出衰减越厉害，进而造成计量值大幅降低，与供电局计量总表形成明显差距；负荷如果超出或接近热极限输出，则长时间运行必然造成电压互感器过热，导致电压互感器爆炸等一系列事故。安全、可靠的供电计量必须对整个配电系统内部进行各部分能耗的评估，选择合适规格的互感器，既要满足测量精度也要满足电压互感器的容量。2.2造成PT柜（3PT-Y形接法）的电压互感器烧毁的原因有三方面(1)电压互感器的谐振；(2)电压互感器的过载；(3)PT的二次短路。（备注：电压互感器简称PT）（1）PT的铁磁谐振在中性点不接地系统中，由于高压电缆和开关设备母排存在对地电容，它与中性点接地的PT的高压绕组形成并联。一旦变压器、电压互感器、消弧线圈等电磁设备的高压绕组受到某种原因扰动，电感饱和程度不一样，与对地电容形4成谐振回路，就有可能激发产生持续的铁磁谐振。铁磁谐振可以是基波谐振、高频谐振、分频谐振。基波谐振通常表现为两相电压升高，一相电压降低，基频谐振和工频电压是同频率，比较容易从电源获得能量，所以基频谐振能产生很大的过电流，有时表现得非常强烈，比较容易造成PT爆炸。高频谐振其主要危害在于过电压倍数较高，往往引起主设备的绝缘被击穿或PT爆炸，后果十分严重。分频谐振总是表现为两相电压同时升高，它的主要危害也是产生过电流，分频谐振引起的过电流虽没有基频谐振过电流大，但也往往超过了PT的热稳定允许电流值，在长期分频谐振作用下也可能烧毁PT。谐振产生的过电压的幅值虽然不高，但因过电压频率往往远低于额定频率，铁心处于高度饱和状态，其表现形式可能是相对地电压升高，励磁电流过大，或以低频摆动，引起绝缘闪络、避雷器炸裂、高值零序电压分量产生、虚幻接地现象出现和不正确的接地指示。严重时还可能诱发保护误动作或在电压互感器中出现过电流引起PT柜的PT烧坏。具体表现为本体炸裂、内部绝缘物质喷出故障，使系统不能正常运行。铁磁谐振的常用消除办法除了选用励磁特性比较好的PT外，还有：(a)PT一次的中性点加装非线性阻尼电阻（见图4）通过中性点电阻，吸收谐振的能量，因此阻值只要足够大，可以破坏产生谐振的条件即可消谐，中性点电压在1kV左右，对PT不会产生绝缘问题，对分频谐振效果好。该方法在已广泛采用，生产定型产品的厂家比较多，在实际运用中都取得了满意的效果。缺点是阻值太大时，开口三角电压太低，接地保护可能失效；(b)在PT开口三角侧并联固定（或可变）阻尼电阻（见图5）在PT开口三角接入阻尼电阻，用电流抵消铁芯的零序磁通，电流越大，效果越好。电阻的选择须遵循以下原则：保证接地指示的灵敏度；能有效消除谐振，系统发生单相接地时PT不被烧坏。该方法对高频和基频谐振效果好。(c)采用4PT接法（见图6）4PT接法的闭口三角、零序PT的大电阻和大电感可以消除不同性质的谐波，零序PT的大电阻可有效防止高压保险的熔断，同时解决了中性点绝缘问题，解决了开口三角并联电阻阻值不易确定的问题，但成本高，外形尺寸偏大。5图4PT中性点加装阻尼电阻图5PT开口三角图64PT接法(d)采用微机消谐微机装置监测PT三相电压和开口三角电压，当系统出现故障，装置开始对此信号进行数据采集和数字信号处理，然后对数据进行分析、计算，得出故障类型。如果是铁磁谐振，系统产即启动消谐电路，让铁磁谐振在阻尼作用下迅速消失。如果是过电压或单相接地故障，微机系统检测后，分别给出显示和报警，。此种方法相对比较简单，与开口三角方案的优缺点相似，不必担心阻值问题。（2）PT的过载电压互感器二次负荷偏重，一、二次电流较大，使二次侧负载电流的总和超过额定值，造成PT内部绕组发热增加，尤其是在电压高于PT额定电压(10kV)情况下，PT内部发热更加严重；再者，该系统属于中性点非有效接地系统，容易发生铁磁谐振，谐振导致PT过载，PT更加容易发生热膨胀爆裂。a.以下是PT柜3PT的二次的操作电源AC220V回路b.以下是PT柜内的事故音响二次的回路6上述高压系统（1进线＋计量＋PT柜＋1出线）采用真空断路器为ABB的VD4-12/630-25KAAC220V合闸脱扣器消耗功率250VA;分闸脱口器消耗功率250VA;微机保护采用ABB的SPAJ140CAC220V微机的电源和输出继电器模块动作条件下的消耗功率为6VA，静止条件下的消耗功率为4VA；当系统出线短路；微机动作；发出指令跳VD4；同时事故回路电笛报警响；开断成功系统总消耗功率为250＋6＋4+40=300VA；(在交流AC220V操作系统的事故回路的电源XMa和XMc经常被安装公司的也接线到PT的KMa和KMcAC220V回路;此时事故回路电笛DDJ1AC220V的消耗功率为40VA)其它继电器和灯的消耗功率暂不计算。若PT柜电压互感器选0.5/30VA热极7限输出150VA；PT容量就不够严重过载；发生热膨胀爆裂（300VA150VA）。因此只能选JDZX9-101.0级/180VA热极限400VA的电压互感器，既满足要求又可以装在手车里；或者选如右图AH3系统方案；采用熔断器手车和固定安装在柜体内的多种大容量的非标准电压互感器；如JDZX11-10C0.5/120VA热极限800VA的选择。这种系统方案可以满足测量精度和容量的要求。（3）PT的二次短路PT二次不允许短路，电压互感器二次侧线圈匝数比一次侧线圈匝数要少，但线径较大，一旦二次侧短路，势必在二次侧引起很大的短路电流，短路造成PT单相谐振，造成互感器烧毁。3．结束语从供电安全和维护方便出发，选择可靠性高的开关设备一直是各生产厂商和用户的共同的希寄。本文仅从装于开关设备的互感器容量选定的角度，分析互感器的变比、容量对测量精度的影响，分析了可能引起的PT故障的原因，并提出了解决办法。希望本文对大家设计有一点借签作用，不当之处肯请批评指正。4.参考文献（1）新编工厂电气手册（上）：兵器工业出版社（2）长沙威胜电子有限公司多功能DSSD331的样本（3）上海金陵智能电表公司的机械表DS862-2的样本（4）ABB公司的真空断路器VD4，微机保护SPAJ140CREX521的样本（5）大连第一互感器厂0.5~12kv级电流电压互感器样本