电压互感器二次回路电压降的治理措施

随着电力市场的改革，电能计量关系到直接的经济利益，做好电压互感器（以下简称PT）二次回路压降的管理与改造工作，对保证电能计费的公正合理意义较大。由于PT二次回路压降直接影响电能量计量的准确性，严重时会危及电力系统的稳定运行，因此本文从分析电压互感器二次压降的形成机理入手，并提出最为合理的二次压降治理方案。
一、绪论
在电力系统中开展电能计量的综合误差测试是实现电能正确计量的基本技术措施之一。电能计量的综合误差包括电能表、电流互感器、电压互感器的计量误差以及电压互感器到电能表的二次回路线路压降。当电能表、互感器的计量误差符合国家有关规程规定时，由电压互感器二次侧到电能表端子之间二次回路线路的电压降(简称为PT二次电压降)，将导致电压量测量产生偏差。
PT二次压降问题是电力发、输、变、配企业普遍存在的问题，它使系统电压量测量产生偏差，不仅影响电力系统运行质量，而且直接导致电能计量误差，这种计量误差直接归算到电能计量综合误差之中。
多年来，经常发生电压互感器二次接线故障，直接影响二次回路的安全运行，给电力生产企业经济造成一定的损失。电压互感器是一次和二次回路的重要元件，向测量仪表、继电器的线圈等供电，能正确反映电气设备的正常运行。每年当春秋阴雨季节或天气潮湿、有大雾时，中控室就会经常发出单相接地或电压降低信号，经值班人员切换电压表，有一相或两相电压指示下降，另两相或一相电压指示值不变，报告梯调请电气二次班前来处理。电气二次人员对二次回路及继电保护触点进行了打磨，对保护的继电器进行了整定，均未发现异常。经多方查找，发现35KV母线电压互感器的二次接线的线头长年老化，有放电的痕迹。经分析，这种户外式电压互感器的二次接线引出端比较短，二次配线时所留线头端子比较短。一般正常运行时，由于北方气候干燥，常年少雨、灰尘大，空气中的污物比较多。当天气是阴雨或潮湿时，就会在电压互感器的二次接线表面形成一个导电层构成回路，致使电压互感器的二次侧发生单相接地或电压降低。但这不是真正线路上的接地和短路，只是二次回路保护误发信号，造成故障，影响了二次回路的稳定运行，造成一定的经济损失。
有文献指出，电压互感器装置在变电设备现场，二次电压需要通过几十米至几百米的电缆及各种辅助接点接到控制室，供继电保护、自动装置、测量仪表的电压线圈及电压回路。这些负载的大小，决定了二次回路电流的大小。由于二次回路电缆导线和各种辅助接点直流电阻的存在，在电缆两端产生了电压降，使负载端电压低于PT端电压 U伏，产生了幅值(变比)和相角误差。其误差大小决定于二次回路直流电阻大小，负载大小(二次电流大小)、性质(负载功率因数)及其连接方式。
有文献指出，某省网年售电100亿度，PT二次压降平均为1伏，按PT二次额定电压为100伏计算，漏计电能为1亿度，按0.2元/度计算，损失电费2000万元。
有文献指出，某发电厂110 kVI段电压互感器二次回路压降为0.62%。110kVI段电压互感器二次回路压降超标，直接影响到3号发电机关口电能表计量装置的准确计量。3号机每年平均上网电量为2亿千瓦时，丢失电量△W=W * 0.62%=1240000kWh，即年损失电量达124万度。
从上述例子中，可以看出PT二次压降直接影响电能量计量的准确度，由于PT二次压降的单向性，致使电力企业漏计电能，导致巨额经济损失;同时对电力系统安全运行也是一种潜在的威胁。
二、电压互感器二次回路的接线形式
现场运行中按照电压等级的不同，电压互感器二次回路采用了不同的接线形式
1、10kV至35kV电压互感器二次接线
电压互感器一次侧(高压侧)有熔丝，二次不设熔丝和任何其他保护设施，以减小电压互感器二次回路压降。从电压互感器与电能表距离的远近进行如下分析。
电压互感器与电能表相距较远(一般大于10m)。为了在测量电压互感器压降时，不断其一次侧刀闸进行试验接线，采用图一所示接线形式。电压互感器二次出线进专用接线盒A，由于一般情况下电压互感器二次端子与接线盒A之间的距离小于0.5m，可不考虑两者之间的电压降。测量电压互感器二次压降时，二次电缆线从接线盒A接至电能表专用接线盒B，即可测出其间的电压降。采用这种接线方式开展测试工作安全、方便。
当电压互感器与电能表相距较近时，在实际电力客户接线时又分为两种情况。
(1)电能表直接装在电压互感器柜上(如手车柜)，电压互感器二次电缆直接进入电能表接线盒B，二次导线截面积大于4mm ，如下图所示。电能表与电压互感器二次端子之间连线距离小于lm，一般不考虑电压降误差，但至少应每2年1次在停电的情况下检查和处理电压互感器二次端子接头生锈、腐蚀等情况。
(2)电压互感器二次通过插件接至电能表接线盒，如图三所示。这种接线方式一般是电压互感器装在手车柜上，用上电后就不再管理，压降不易侧试。实际这类“插件”操作频繁，接触电阻不能忽略。
2、110kV及以上电压互感器二次接线
电压互感器一次侧没有熔丝，电压互感器二次侧必须装设保护设备(熔丝或快速空气开关)，防止电压互感器二次短路。对于进线供电的情况，为了保证计量准确，便于加封，在电压互感器杆下装设专用电压互感器端子箱，接线方式如图四所示。将接线盒A和快速开关ZKK装于电压互感器二次箱内，二次电缆从快速开关ZKK直接接到电能表接线盒B，可测量出从接线盒A到电能表之间的电压降，同样电压互感器二次端子接头应至少2年1次检查和处理锈腐等情况。
ZKK应使用单相的快速空气开关，便于对电压互感器进行一相一相的测量，同时测量时应有足够的操作距离，保证工作人员的安全。电压互感器电缆首端、中端和末端保护层金属部分一定要可靠接地，以屏蔽外磁场感生的电势，保证电压降测量的准确性。
三、降低二次压降的措施
由于电压互感器二次压降直接影响电能计量的准确性，甚至对系统稳定运行产生不良影响，为此人们在改善二次压降方面做了大量工作，归结起来可以分为降低回路阻抗、减小回路电流和增加补偿装置等三大类降低二次压降的措施。下面就这三种降低二次压降措施进行细致分析。
1、降低回路阻抗
在所有关于二次压降及降压措施的文献中，当分析二次压降的成因时，电压互感器二次回路阻抗是第一个被关注的参量。根据前面分析的结果，电压互感器二次回路阻抗包括：导线阻抗、接插元件内阻和接触电阻等三个组成部分。 1.1导线阻抗
由于电压互感器二次回路的长度达100米至500米之间，而且导线截面积过小，因而二次回路导线电阻成为回路阻抗中最被关注的因素。为此在DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》中，对计量用电压互感器二次回路的侧试作出了相关的规定：互感器二次回路的连接导线应采用铜质单芯绝缘线。对电压二次回路，连接导线的截面积应按允许的电压降计算确定，至少应不小于2.5mm 。在实际工作中，电压互感器二次回路线路的截面积一般选在6mm 。但无论若何选取导线截面积，导线阻抗是存在的，只是量值的大小而已。
1.2接插元件内阻
考虑到电压互感器二次回路中存在刀闸、保险、转接端子和电压插件等接插元件，在不考虑接触电阻的前提下，各元件的自阻和可以认为是一个定值，该值很小，并且不易减小。
1.3接触电阻
许多文献指出，在电压互感器二次回路阻抗中，接触电阻占很大的比重，其阻值是不稳定的，受接触点状态和压力以及接触表面氧化等因素的影响，阻值不可避免地发生变化，且这种变化是随机的，又是不可预测的。接触电阻的阻值在不利情况下，将比二次导线本身的电阻还大，有时甚至大到几倍。测试中，二次线压降通常都比计算值大许多，其根本原因就是没有估计到接触电阻有如此大的变化。
从上述分析中，可以清楚看到，电压互感器二次回路阻抗的三个组成部分中，可以通过增加导线截面积降低导线阻抗;接插元件内阻基本不变;接触电阻占主导地位，且其阻抗变化具有随机性。于是得到降低电压互感器二次回路阻抗的具体方案为：
（1）电压互感器二次回路更换更大截面积导线；
（2）定期打磨接插元件、导线的接头，尽量减小接触阻抗。
但无论采取何种处理手段，都只能将二次回路阻抗减小到一个数值，不能减小到零。
2.减小回路电流
一般情况下，电压互感器二次计量绕组与保护绕组是分开的，计量绕组负载为电能表等，负载电流小于200mA，因而现场测试若发现电压互感器一次回路电流大于200mA时，可采取以下措施减小电流：
（1）采用专用计量回路
目前电压互感器二次一般有多个绕组，且计量绕组与保护绕组各自独立。否则电压互感器二次回路电流较大。
（2）单独引出电能表
专用电缆对于计量绕组表计较多的情况，即使该绕组负载电流较大，但通过专用电缆的电流因只有电能表计的负载而减小，因而电能表计回路的电压互感器二次回路压降也较小。
（3）选用多绕组的电压互感器
对于新建或改造电压互感器的情况，有的电压互感器有两个二次主绕组和1个辅助绕组，可取主绕组中的1个作为电能计量专用二次绕组，这样该回路因只接有电能表而使电流较小，从而压降也较小。
（4）电能表计端并接补偿电容
由于感应式电能表电压回路为电压线圈，电抗值较大，使得流过电压线圈的电流即电压互感器二次回路电流无功分量较大，电压互感器二次回路负载功率因数较低。采用在电能表电压端子间并接补偿电容的方法，可以降低电压互感器二次回路电流的无功分量，从而降低电压互感器二次回路电流，达到降低压降的目的。实际并接电容时，应选好电容值，一般以压降的角差最小为最佳选值。还应注意电容的耐压，以保证可靠性。但是此措施由于未被有关部门完全认可，所以并未被广泛采用，建议慎重使用。
2.5装设电子电能表
电子电能表功能全，往往1只表可代替有功、无功，最大需量及复费率等表，因而可减小电能表计数量，同时电子电能表输入阻抗高，单只表负载电流只有30mA左右，因而使得电压互感器二次回路电流大大降低，压降也就较小。
在上述5种减小电压互感器二次回路电流的方法中，采用专用计量回路和装设电子电能表的效果明显，而且易于实现。但使用上述方法减小电压互感器二次回路电流方案，只能有效降低回路中电流到一定值，因为该值是由仪表数量和仪表阻抗性质决定的，一旦接线形式和连接仪表数量确定了，二次回路电流的大小就基本确定了，即由于电压互感器二次回路接线特点决定了二次回路电流，无论采用何种方法，电压互感器二次电流不可能等于零。
3.增加补偿装置（虽然是不提倡，但是在方法是却是可行的，许多文献上都有这个方法）
目前补偿器种类较多，从原理上分，主要有3种：定值补偿式、电流跟踪式、电压跟踪式。
3.1定值补偿式
定值补偿式补偿器根据其工作原理可以分为有源定值补偿器和无源定值补偿器。无源定值补偿器的工作原理是利用自祸变压器补偿比差，利用移相器补偿角差。利用此补偿器可以将电能表计端电压与电压互感器二次端电压幅值与相位调至相等，从而达到补偿的目的。这种补偿器可以对回路阻抗和回路电流一定的线路调节补偿电压，使二次压降为零。但如果二次回路阻抗或电流发生变化，例如熔体电阻或端子接触电阻增大或电压互感器二次负载电流发生改变，这种补偿器就不能适应了。采用无源定值补偿装置，可靠性相对较高。
有源定值补偿器的工作原理是在电压互感器二次回路中计量仪表接入端口处串入一个定值的电压源，达到提高计量仪表的入口电势以抵消二次压降影响的目的。当电压互感器二次回路阻抗和回路电流一定时，调节补偿电压，使二次压降接近于零，但二次回路阻抗或电流发生变化时，这种补偿器就不适应了。
总之，定值补偿器在电压互感器二次回路阻抗和回路电流不变的前提下，能够对二次压降进行有效补偿，由于不能跟踪电压互感器二次回路阻抗和回路电流发生变化而引起二次压降的变化，因此不可避免地引起电压互感器二次综合压降欠补偿或过补偿现象发生。由此可以说，定值补偿装置（无论是有源的，还是无源的）在设计时就存在缺陷，是绝对禁止用于二次压降补偿的。
3.2电流跟踪式
电流跟踪式补偿器基本原理是利用电子线路通过对电压互感器二次回路电流的跟踪产生一个与二次回路阻抗大小相等的负阻抗，最终使二次回路总阻抗等效为零。这样，即使有PT二次回路电流的存在，由于回路阻抗为零，压降也为零。这种补偿器对于二次线路较长的，可补偿线阻。对于PT二次负载不稳定、二次电流变化的回路，由于二次回路总阻抗等效为零，可以保持压降为零。但对于二次回路阻抗变化的情况，则不能自动跟踪，也就是说，如果熔体电阻或接点接触电阻发生改变，则回路等效阻抗就不为零了，这是该补偿器的局限性。换句话就是说，电流跟踪式补偿器的设计前提是电压互感器二次回路阻抗不变，只要跟踪二次回路变化的电流就可以达到补偿二次压降的目的。从前面对二次回路阻抗的特性分析可以看出，电压互感器二次回路阻抗是变化的，且具有一定随机性，显然电流跟踪式补偿器同样存在设计缺陷，可能造成过补偿或欠补偿现象的发生，因而也是绝对禁止用于二次压降补偿的。
3.3电压跟踪式
电压跟踪式补偿器的原理是通过一取样电缆，将电压互感器二次端电压信号与电能表计端电压信号进行比较，以产生1个与二次回路压降大小相等，方向相反的电压叠加于电压互感器二次回路，使电压互感器二次回路电压降等效为零。当电压互感器二次回路电流或阻抗改变导致回路电压改变时，补偿器自动跟踪压降的变化并产生相应变化的补偿电压叠加于电压互感器二次回路，以保持回路压降始终为零。因而这种补偿器几乎适用于所有场合，唯一不足的是需同时敷设一条从电压互感器二次端电压信号取样的电缆。
3.4目前应用较多，效率较高的二次压降自动补偿装置
3.4.1自动补偿装置的原理
PT二次压降自动跟踪补偿器的原理如图所示，图中：

U为PT二次绕组出口a点电压，U1为二次回路末端电能表端子c点电压：
U为PT二次回路综合电阻R (导线电阻和接触电阻之和)上的压降，即PT二次回路压降;
U1为PT二次压降自动跟踪补偿器的输出电压。
当调整电路参数得当，使 U= U1，则下式成立：
U1=U- U+ U1=U
即抵消PT二次回路压降 U的影响，使电能表端子c点的电压等于PT出口a点的电压，如同将电能表直接接到PT出口点上。从而达到了提高计量精度、减少计量损失的目的。
3.4.2应用效果
PT二次压降自动跟踪补偿器要选择通过权威电力部门的产品型式试验合格的产品，并结合本单位的具体情况，选择相应型号。在投运前，必须进行现场的性能、功能、抗干扰、附加波形失真等试验，确保装置的技术指标和功能满足产品的技术要求和符合现场实际条件。
某发电单位220kV电压互感器二次电能计量回路应用PT二次压降自动跟踪补偿器，效果良好，其投运带满负载后PT二次压降测量值如下表:从下表可知，PT二次压降自动跟踪补偿器实现了矢量补偿，即实现比差和角差的补偿，补偿后的PT二次压降小于二次额定电压的0.2%，完全能满足电能计量装置管理规程的要求，达到了提高计量精度、减少计量损失的目的。
4.其他方法
4.1取消PT二次回路的开关、熔断器、端子排等:此措施可避免开关、熔断器、端子排的接触电阻造成的PT二次压降，但取消开关、熔断器设备后，计量二次回路的失去故障保护，后果严重，不宜采用。
4.2调快电能表:此措施可临时性地解决PT二次压降问题，但在开关、熔断器、接线端子上形成的接触电阻是变化的，随着时间的推移，导体接触部位逐渐老化，其接触电阻亦逐渐增大，PT二次压降增大。同时，此措施在电能计量管理规定上是不允许的。
4.3对PT二次同路实施定值补偿:此措施与调快电能表的措施相仿，只能临时性地解决PT二次压降问题，不能实施动态补偿
四、结语
综上分析，电压互感器二次回路线路压降由二次等效阻抗和二次回路电流共同影响。这两个影响因素又随环境和工况不同而变化:二次等效阻抗又随环境的变化而变化，二次电流也随二次运行方式的不同而改变。若要达到国家颁布的电能计量装置技术管理规程和电能计量装置检验规程SD109-83的要求，必须揭示PT二次压降的产生机理，并设计补偿办法，对电压互感器的二次负荷进行补偿。
电压互感器二次压降的治理措施有降低二次回路阻抗、减小回路电流和加装补偿装置三种。降低二次回路阻抗、减小回路电流两种方法在保证二次压降原有性质的基础上，可以有效降低二次压降，但不能保证二次压降始终不大于电压互感器二次出口电压的0.25%要求；加装电压跟踪式补偿装置，可以保证二次压降始终不大于电压互感器二次出口电压的0.25%要求，但要注意电压互感器二次压降单向性的特点，确保欠补偿才是有效的