浅析电压互感器中性点对地存在电压对电能表计量的影响

云南电网公司大理供电局 杨 浩 赵国忠 杨虎英

当前电力市场交易规模不断扩大，传统依靠人力现场抄表计量、周期性校验电量的方式已经不能满足电能计量的需求。受到城市电缆架设要求的影响，输电线路数量增加，电缆对地电电容也相应大规模增长。电力行业开始逐渐利用智能电网对电能进行可靠检验和测量。电压互感器和电能表是智能电网的重要组成。电能表对采样输入的电压和电压值进行数值模拟转化，传输至变电站控制中心进行分析与存储[1]。智能电能表具备数字化计量功能，可以减少站内设备，起到独立监测的作用。

随着电网规模的不断扩大，电压互感器和电能表等装置也增多。电量负荷的增加对电能计量提出了更高的要求。由于电能计量偏差问题导致的设备运行故障问题常有发生。按照当前的供电负荷水平，电能计量故障严重时还会为威胁运维人员人身安全和电网运行稳定性，对社会发展产生重大影响。对此，需要保证电能计量的准确性和稳定性。电压互感器能够监测电压，同时在线路发生故障时可以起到继电保护的作用，避免重要设备烧毁。在电能表计量中，电压互感器中性点对地存在电压会对测量结果产生影响。

当电能表计量线路出现基频谐振现象时，电压互感器中性点发生偏移，导致接线故障。为避免故障问题的出现，对电压互感器中性点对地存在电压对电能表计量的影响进行研究。根据电压互感器工作原理，一段独立线路通常包含一只电压互感器，二次电压由继电保护装置端口输出。受到中性点电压偏移的影响，电能表计量线路的三相电压由饱和相转变为不饱和相，电压数值低于额定值。为避免线路发生谐振导致电压故障，需要控制电源自振频率，防止中性点不接地电压偏离。通过改变中性点接地电感，降低线路零序等效电容的方式，改变高压侧相关参数，降低回路电流，达到抑制接线故障的目的。本文对此问题开展研究，降低突发性事故的发生概率，在一定程度上可以减少线路故障损失。

1 电压互感器中性点对地存在电压对电能表计量的影响

1.1 电压互感器工作原理

在智能电能计量中，电压互感器能够对电压和电流值进行合并，采样后向二次侧输出。数据经过电能表的处理，相关电能数据经过通信协议的解析，为后续的测控和设备保护装置提供采样报文。解析得到的电流和电压值是电网线路和设备的数据基础。电能计量表的数据经过通信网络传输至调度服务器和监控平台终端，读取远程电能并进行数据管理。电压互感器将采集的高电压转化为100V以内的低电压，起到降压作用[2]。导体内部感应电动势变化，测量过程近似处于空载状态。其运行容量显著低于变压器，适合应用于小功率能量的传输。

电压互感器由传输装置、二次转换器、电压及电流传感器等设备组成。传感器采集的电压和电流信号经过数字接口转换为数字模拟信号，起到继电保护和电气测量的作用。合并单元对多线路电流和电压的采集结果进行空间差值和时间同步处理，实现电源侧电能测量。在电能表计量过程当中，一段独立线路通常包含一只电压互感器。本体二次端子与PT端子箱通过引线相连接，二次电压传输至汇控柜[3]。各分段的二次电压经过引线回路的转换后，由继电保护装置端口输出。互感器的二次电压提高了设备运行的稳定性，在线路某一节点出现故障而断开时，故障分段的电压可由其它并行分段的互感器电压代替。

1.2 电压互感器中性点对地存在电压对计量的影响

当电能表计量线路出现基频谐振现象时，电压互感器中性点发生偏移。正常线路中中性点电压为0V，三相导纳表现为容性，电压在数值上十分接近。接线故障后，中性点电压表现出增高的趋势，三相导纳中部分转变为容性。受到中性点电压偏移的影响，电能表计量线路的三相电压由饱和相转变为不饱和相[4]。三相电压发生偏移，数值上表现为低于正常接线电压值。

中性点电位偏移量的计算公式为：ΔU=(R1W1+R2W2+R3W3)/(W1+W2+W3)，式中，ΔU表示中性点电位偏移量；R1，R2和R3分别表示电源等效三相电压；W1，W2和W3分别表示三相支路等值导纳。发生接线故障后，通常会出现其中两相严重饱和的情况。此时，两相的电感电流增大，导纳转变成感性。

中性点电位偏移量转化为以下公式：ΔU=R1(1+1/(f2αβ))/(1-2/(f2αβ))，式中，f表示电源频率；α表示电压互感器电感；β表示电流电容。PT的励磁电感随电流的变化而变化，当电源频率达到一定频次时，出现过电压故障。

为避免线路发生谐振导致电压故障，需要控制电源自振频率，防止中性点不接地电压偏离。故障时刻，过电压初始值达到最大幅值，此后开始衰减，三相电压值开始低于额定数值。因此，中性点对地电压会导致三相电压发生偏移、引发接线故障，增加线路有功损耗，不利于线路规划和运行。电力企业应将电压互感器中性点对地存在电压损失加入电能计量方案中。

1.3 电能表接线故障的处理措施

为避免出现电压互感器中性点对地存在电压导致的线路故障问题，需要改变中性点接地电感，降低线路零序等效电容。中性点利用消弧线圈补偿单相电容电流，防止接地时产生不稳定的短路电流，从而起到抑制电压的作用。当电能表线路处于完全补偿状态时故障位置的电流为0。中性点的零序电容完全补偿后，电流表现为周期性衰减趋势。三相电压对应的暂态过电流转化为励磁电流，经过平稳过渡恢复至正常的相电压，故障处的暂态过电流得到抑制[5]。

当电能表线路处于过补偿和欠补偿状态时，电流变化趋势相同，过电流得到有效抑制。在电能计量装置故障位置处，利用4PT接线方式串接单相电压互感器，以此改变高压侧相关参数，降低回路电流。4PT接线方式串联增加三倍的励磁电感，等效支路电感增大，就会有较小的暂态过电流流经计量装置[6]。此时，线路内部的电流变化趋势与完全补偿状态相同，取得较好的故障抑制效果。

通过改变电压互感器的辅助绕组参数，可以达到改变中性点接地电阻的目的，从而效果串接电阻对接线电容的影响。正常运行状态下，辅助绕组中没有电流经过，对电压互感器不产生作用。电能计量装置发生线路故障时，受到零序电压的影响，辅助绕组的电阻降低。随着辅助绕组位置电流的增大，相同端的高压侧电流也增大。为了抑制暂态过电流，可以适当增加辅助绕组的电阻数值，并将其串接成开口三角形，以提升故障电流抑制效果。

2 实验研究

为验证电压互感器中性点对地存在电压对电能表计量的影响结果，设计实验进行分析。实验研究的背景为2021年5月某220kV发电厂220kV线路计量装置。实验设备主要包括：三相四线57.7/100V，1.5，额定容量为25VA；A电能表，装置在负荷侧，采用V/v接线方式；110kV电压互感器3只，用以测量线电压。在电能监控系统中，监测到该装置的电能表电压出现异常，三相电压监测结果分别为Ua=54V，Ub=55.2V，Uc=53V。对此，在现场对该线路计量装置进行电压检测。为避免单次检测造成的测量偏差，对故障位置的中性点Un对地电压和三相电压（Ua、Ub和Uc）连续测量10次，结果如表1所示。

根据表1的结果，处理前线路计量装置故障位置的中性点Un对地电压、Ua、Ub和Uc分别为5.9V、54.0V、55.3V和52.8V。因此，该线路计量装置检测位置存在线路故障问题。对该位置的电压互感器进行检查可知，110kV电压互感器中性点Un连接导线(3EYH05/N600)，在转接屏左侧端子后未引到电能表屏。经过分析可知，电能表接入电压互感器的中性点与相电压不是同一组互感器，因此导致中性点Un对地电压升高而三相电压降低。故障线路与非故障线路的电力负荷移动方向相同，接地产生的电容电流导致电压降低。同时，电压互感性中性点发生较大的偏移，因此表现出5.9V电压的异常情况。对此，需要通过电压互感器产生容性电流，对计量装置故障位置进行电压补偿。

表1 处理前测量结果

将110kV电压互感器的中性点Un连接导线(3EYH05/N600)，引到电能表屏。解除原来电能表接入的Un连接导线，接入电压互感器中性线(3EYH05/N600)。处理完毕后对该线路计量装置进行电压检测，检测结果如图1所示：Un对地电压0V、Ua对Un59.8V、Ub对Un59.8V、Uc对Un59.4V。

图1 处理后故障位置的检测结果

同理，对处理后的线路计量装置的中性点Un对地电压和三相电压（Ua、Ub和Uc）连续测量10次，结果如表2所示。

根据表2的结果，处理后线路计量装置故障位置的中性点Un对地电压、Ua、Ub和Uc分别为0.0V、59.7V、59.8V和59.6V。电压互感器中性点对地存在电压对三相电压计量存在一定影响。经过处理后，回路接线正确，中性点Un对地电压恢复至0V。采用本文的处理措施能够抑制接地电压、消除谐振现象，降低电压互感器的对地电压。线路中的三相负荷得到平衡，Ua、Ub和Uc均恢复至正常数值范围，电能表计量装置引起的接线故障得到消除。综合上述研究过程，本文研究能够有效提升电能计量效果，提升线损管理水平。

表2 处理后测量结果

综上，基于电压互感器和电能计量表的计量装置在智能电网中得到广泛的应用。电磁谐振和电流谐波等异常因素对电能计量产生了影响，造成负荷测量结果不准确。本文对电压互感器中性点对地存在电压对电能表计量的影响进行研究，并提出解决接线故障的措施。

经过对现场实际运行工况的检验，本文研究通过对电压互感器连接导线的合理布置，能够对实负荷和虚负荷进行有效校验，将中性点Un对地电压恢复至0V，线路三相电压也达到正常数值。供电企业在对用户侧进行电能计量时，需将中性点对地电压造成的接地故障纳入运维策略中，提升线路工程的实用性。后续研究可针对单相接地过程中谐振过电压进行研究，增强电网线路系统的电容电流，避免出现电压突增导致的电能计量读数不稳现象。