国内外电压互感器二次回路接地方式比较分析

杨镇荣，黄叙银，邢 光，何学东*

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.璞信电力工程设计有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着“一带一路”倡议的推进，我国在国外建设了并还将建设许多输变电站，为更好地满足用户的要求，工程设计时应充分考虑国内外技术标准的差异，持续地进行国内外技术标准研究与分析比对是必须要做的工作。

国内外常规变电站中，独立的、与其他互感器没有电气联系的电压互感器（简称“TV”）的二次回路都是要求在其就地端子箱一点接地。但对于有电气联系的电压互感器，其二次回路接地方式，国内外工程差异较大。对于国内工程，要求TV中性线不应接有可能断开的开关或熔断器等［1-3］，导致有电气联系的TV 只能在保护室经中性线小母线或并联端子排（N600）一点接地；而国外工程强调最短路径、低电阻接地［4-5］，要求所有TV在开关场就地端子箱一点接地。

本文综合分析了国内外TV 二次回路接地方式差异和优缺点，说明了各自标准强调的重点问题及工程设计方案。TV二次回路必须且只能有1个接地点，在此基础之上，允许不同国家或地区有各自的差异性解决方案，以满足不同用户的关键要求。

1 国内外TV二次回路接地方式差异

1.1 国内工程的接地要求

《十八项电网重大反事故措施》（以下简称“《反措》”）及相关标准［6-10］要求电压互感器二次回路必须且只能有1个接地点，并应符合下列要求：

1） 有电气联系的电压互感器的二次回路应在相关保护室一点接地，宜在电压并列柜处接地。

2） 各电压互感器的中性线不应接有可能断开的开关或熔断器等。

3） 独立的、与其他互感器没有电气联系的电压互感器的二次回路宜在其就地端子箱一点接地。

目前国内主流理念是TV 二次回路尽量在就地端子箱接地，但对有电气联系的TV二次回路均在电压并列柜处将各路中性线互连并接地，中性线不参与切换/并列操作。鉴于有电气联系的TV 二次回路的广泛应用，TV二次回路实际在端子箱接地的很少。中性线不参与切换的电压切换［11-13］和并列回路［14-17］分别如图1和图2所示，具体动作原理见本文3.1及3.2描述。

图1 中性线不切换的电压切换回路Fig.1 Voltage switching circuit without switching neutral line

图2 中性线不切换的电压并列回路Fig.2 Voltage parallel circuit without switching neutral line

1.2 国外工程的接地要求

CIGRE（国际大电网会议组织）于2013年4月发布了《EMC within Power Plants and Substations》（以下简称为“《EMC》”）［18］，对于TV 二次回路的接地要求见图3所示，详述如下：

图3 EMC要求的电压互感器二次回路Fig.3 Secondary circuit of voltage transformer required by EMC

1） 为了安全，二次回路必须在高压设备处接地，为了尽可能减少中性线和接地线所形成的环路，电路和电缆屏蔽层都应在互感器箱体上接地，而不应分开连接到接地网。

2） 所有进入端子箱的电缆屏蔽层和中性线都应经端子箱接地。由于互感器和端子箱之间的双芯电缆长度很短，中性线（互感器和端子箱）的双重接地对共阻抗耦合干扰电平影响很小。

3） 在任何情况下，保护室内都不容许中性线另外接地。

4） 当2 个互感器连接到同一设备（如同步回路）上，双重接地不可避免时，必须使用隔离变压器。

5） 最好为每根电缆敷设1 根截面至少50 mm2的接地铜排（PEC）。

6） 如果安全规则允许，当中性线仅在1 个点接地（如在端子箱中接地，互感器处不接地）时，会获得较低的干扰电压。

根据IEEE Std c57.13.3 2014互感器二次回路和外壳接地指南［19］5.7条建议，互感器的接地要便于拆除以进行隔离或检测等操作，要确保拆除1 个电路的接地连接不会影响其他电路的接地。此外，多个国外电力公司标准［20-21］也均明确要求电压互感器二次回路在就地端子箱处一点接地。

故对于有电气联系的TV，国外工程多采用将中性线和相线一样经过继电器切换，此方式不同于国内，每组TV 中性线相互独立，并经过了可断开的继电器触点。以下是2个工程实例。

图4为印度某变电站220 kV线路保护屏电压切换回路图，可以看出7n 采用双位置磁保持继电器，通过此间隔线路的I、II母母线隔离开关位置启动和复归继电器，实现两组TV 电压切换，可以看出中性线和R 相线、Y 相线、B 相线一样经过继电器K13、K23 触点切换，此站于2015年投运至今，运行正常可靠，未发生切换继电器异常动作情况。

图4 印度220 kV变电站的电压切换回路Fig.4 Voltage switching circuit of 220 kV substation in India

图5为博茨瓦纳某变电站220 kV线路保护屏电压切换回路图，采用同上案例类似的切换方式。此站于2019 年投运，目前运行良好，未发生切换继电器异常动作情况。

图5 博茨瓦纳220 kV变电站的电压切换回路Fig.5 Voltage switching circuit of 220 kV substation in Botswana

2 TV二次回路接地方式比较分析

2.1 国内接地方式分析

《反措》特别强调“各电压互感器的中性线不应接有可能断开的开关或熔断器等”，是因为这些“可能断开的开关或熔断器”在正常运行时可能误断开，如：并列/切换继电器失电、隔离开关位置异常、继电器触点接触不良造成中性线断线［22］，使提供基准电位的一点接地缺失。当发生TV中性线断线时，由于中性点电位漂移，保护装置的相电压会发生变化，从而可能导致零序方向元件、电压元件误动，由此已引发多起事故，严重影响继电保护动作的正确性［23］。另外，如果中性线接有可能断开的设备，在回路切换需要断开时，还可能无法断开，如：切换继电器触点粘连，可能导致两组TV回路误并列和多点接地。必须采取合理的措施预防和处理电压互感器中性线断线故障，保证电网安全运行。

2.2 国外接地方式分析

CIGRE、IEEE 等国外标准要求在就地端子箱处接地，将中性线同相线一起参与切换/并列操作，使各TV中性点相互隔离，可实现各TV 中性点在端子箱处接地。端子箱处接地、中性线参与并列/切换操作（以下简称为“方式A”）与保护室接地、中性线不参与并列/切换操作（以下简称为“方式B”）相比具有以下优势：

1） 实现低电阻接地，减小共阻抗耦合干扰。多回路公用1 个接地点及接地引下线，入地共模电流是所有接入回路的电流之和，回路数越多，共模电流叠加越大，产生的地电位越高，使所接入装置受干扰的风险显著加大［24］。方式A 为共模干扰电流入地提供了最短路径和最低的接地阻抗，同时也阻止了共模电流沿中性线传播对邻近平行敷设的电缆产生干扰；另外，共模信号在传输中受不平衡电路的影响会转换成差模干扰信号，如上所分析，方式A 降低了共模干扰电流，可避免共模电流转换成差模信号叠加到有效信号上产生畸变，而导致二次装置状态异常甚至误动。

2） 降缓传导干扰。电缆经感性（磁场）耦合和容性（电场）耦合产生的传导干扰与电缆长度和连通的接地导体构成的环路面积成正比。在方式B中，多个TV二次回路连接到一起接地，构成了一个范围极广的星型接地网，增加了电缆长度和接地环绕面积，导致传导干扰增大，二次装置受干扰的风险显著提高。而采用方式A，各TV 中性线相互独立，避免了中性线相互连接长度加倍和大面积的接地环路，有利于降缓传导干扰。

3） 安全可靠性高。采用方式A，不同安装位置的3只TV二次绕组中性线汇集在端子箱就地接地，该接地点距离最近、联系最紧，没有任何断开点或转接线，十分安全可靠。反之采用方式B，回路复杂且距离较长，中间出现多处电缆转接，在控保屏维护检修或升级更换过程中，存在失去接地［25］或多点接地［26-29］的风险；相关回路异常时需要逐条线路排查，回路分析困难，运维人员工作量较大。另外TV 异常检修时，还可能出现停运TV二次中性线与其他TV电压回路没有完全断开的问题，存在安全隐患。

4） 避免经放电间隙或氧化锌阀片（JB）接地。采用方式B 时，宜在接线端子箱处经放电间隙或氧化锌阀片接地。对于氧化锌阀片存在两个问题：其一，存在介质电容，高频共模干扰信号有可能通过介质电容入地，产生两端接地的效果；其二，是阀片老化问题，非线性特性恶化，漏电流激增，存在多点接地事故隐患［30-32］。而采用方式A，不需要设置此设备，省去了巡检和检修的运维麻烦，避免了阀片击穿造成二次回路多点接地的问题。

2.3 智能变电站TV二次回路接地说明

智能变电站以电子式互感器、合并单元取代传统的电磁式互感器，以数字信号取代传统的模拟电量采集，通过光纤、通信线组成数字化传输网络，避免了常规变电站隔离开关位置异常、并列/切换继电器触点粘连或接触不良等设备不可靠及各种电磁干扰问题［33-42］；随着电子式互感器、合并单元配置方案的完善及稳定性、可靠性等设备性能的提高，上文TV 二次回路接地的相关问题将不复存在。

3 国外工程TV二次回路接地改进方案

在进行国外工程设计时，需改进电压互感器二次回路接地方案，使之满足相关国外标准的要求。据多年国外工程应用情况看，目前大多数国外地区均采用中性线经过切换的方式。目前TV 二次回路进入装置均经过采样电路板上的小型TV隔离，只需改进装置外电压切换/并列回路，就可以使多个TV 二次回路之间无电的联系，改进方案如下。

3.1 电压切换回路的改进

双母线接线方式下，利用母线隔离开关的辅助触点控制单位置或双位置继电器，通过继电器的触点自动选择相关母线电压，保证二次设备输入电压随一次设备运行方式的变化同步切换。图1是国内采用的电压切换电路原理图，只是对三相电压进行切换，两段母线上TV的中性线固定连接在一起。

根据国外工程经验，将TV二次绕组中性线同相线一起切换，如图6中所示。

图6 中性线经切换的电压切换回路Fig.6 Voltage switching circuit with switching neutral line

切换继电器1YQJ、2YQJ在工作状态下，始终只有1组继电器动作，因此在中性线加入切换后，始终保持2组TV中性线始终是互不相连，两侧的接地点各自独立，故不存在多点接地问题。此时只需要将切换继电器的触点由3对更换为4对即可，实施难度较小。

3.2 电压并列回路的改进

双母线、单母线分段等接线方式下，2组母线并列运行（母联/分段断路器及其两侧的隔离开关合位）时，利用母联/分段断路器及其两侧隔离开关的辅助触点控制单位置或双位置继电器，通过继电器的触点实现两组母线电压互感器二次回路的自动连接，保证在一段母线电压互感器故障、检修等原因退出运行时，用另一段母线电压互感器为此段母线负载提供二次电压。图2 所示回路为国内广为采用的并列方式，中性线固定连接在一起，接地点设在电压并列屏处，另就地经放电间隙或氧化锌阀片接地。I 母PT、II 母TV 分别表示两段母线电压互感器二次绕组输出；1GWJ、2GWJ为切换继电器，YQJ 为并列继电器。分列工况下，1GWJ、2GWJ触点分别闭合，YQJ触点处于断开状态，两段TV的二次输出三相电压各自独立，分别输送至本段间隔的二次装置。

图7是改进后的原理图。同理，将TV中性线同相线一起切换，就地端子箱接地。在某TV 退出运行后，相应GWJ触点断开，YQJ触点处于闭合状态，退出运行的TV 二次回路的相线和中性线一同退出，两段母线TV 二次回路中性线不再相连，接地点相互独立，不存在多点接地问题。

图7 中性线经切换的电压并列回路Fig.7 Voltage parallel circuit with switching neutral line

此改进方案仅需将原1GWJ、2GWJ 和YQJ 继电器3对触点更换为4对触点，可利用现有装置中的备用扩展板增设1组切换并列继电器，容易实现。

4 结语

常规变电站电压互感器二次回路最佳接地方式是在开关场就地端子箱处一点接地，考虑到隔离开关、继电器等设备的可靠性问题，国内标准要求TV中性线不应接有可能断开的开关或熔断器等，以避免继电保护装置误动造成严重事故，但这样导致了有电气联系的TV二次回路不能在端子箱接地，一定程度上影响了保护装置等的抗干扰效果。国外标准更关心抗干扰，工程设计普遍采用了中性线与相线一起切换的方案，实现了在端子箱接地的目标，但此方案必须认真对待设备的可靠性问题，加强隔离开关、继电器选型及做好定期校验，以保证变电站运行的安全可靠。随着智能变电站的发展、普及，电子式电压互感器逐渐推广，由于采用了数字采样技术，实现了数字化传输，可以规避设备可靠性及干扰等相关问题，是最优的解决方案。