某水电站电压互感器极性问题分析与探讨

林 放

(四川明星电力股份有限公司，四川 遂宁 629000)

1 概 述

某水电站4、5号发电机在机端电压互感器屏柜改造完成后进行了并网前一次和二次核相检查，当进行到二次相位核查时，核相过程中发现数据异常；经过现场细致分析和检查后发现，为机端电压互感器屏柜内新安装的机端母线电压互感器极性接线错误。经过电压互感器极性改接正确后，顺利完成核相数据测试，并在随后的机组同期操作中成功并入系统网络，避免了该问题引发的设备事故。

2 基本情况

2.1 电压互感器接线情况

电压互感器(Potential Transformer简称PT；Voltage Transformer也简称VT[1])在电力系统中主要用来耦合一次和二次系统，作为连接高压和低压的中间设备，一般有电压测量、电能计量、保护监视等几种功能。根据一二次绕组数量，可分为两圈、三圈、四圈式等几种，由实际需求决定圈数。

某水电站共有5台发电机组，其中1～3号发电机并接于6 kVⅠ母，4、5号机组并接于6 kVⅡ母，4、5号机组主接线图如图1所示。该水电站选用了两组四圈式电压互感器，一组为励磁系统测量专用，使用了全星型接线；另一组用于机组机端电压测量、机端输出功率计量、机组后备保护，单独的一组开口三角型接线用于检测发电机接地。同时，取A、B两相电压接入机组同期装置用于机组同期检测，机组并网时需通过机端PT和6 kV母线PT进行电压比较，详见图2。

图1 4、5号机组主接线图

图2 电压互感器接线图

2.2 电压互感器的核相方法及结果分析

设备改造之后，必须确定一次和二次接线的正确性，检测电压互感器的功能完好，需要分别进行一次和二次核相。一次核相的方法较为简单，就是比较改造点两侧的A、B、C相电压旋转方向是否一致并互相相差120°。正常情况下改造点两侧A、B、C三相电压旋转方向一致，并互相相差120°。经过现场一次核相，满足判定标准，一次接线正确。

二次核相前一定要保证一次核相正确后再开展。二次核相是通过电压互感器变换之后检测二次电压的相位情况，可以通过保护装置或交流采样表的相位检测功能来比较实现，但对于同期判定则要通过单一电源施加测量。通过将单侧(可以是系统侧或机组侧)输出一个电源同时送到机端PT和母线PT，从而检测机端PT和母线PT二次电压的电压差值。

下面以5号机组为例介绍二次核相的步骤：

正常情况下，母线PT和机端PT都采用同相电压，且接线组别相同(选用A、B两相)。在同一电源作用下，利用万用表测量母线PT的A相对机端PT的A相、母线PT的B相对机端PT的B相电压，万用表测量电压差值应在0左右，实际可能因PT差异有微小压差出现；本次5号机组二次核相结果如表1所示。

从表1可以看出，用万用表测量母线PT的A相对机端PT的A相电压差为120 V、母线PT的B相对机端PT的B相电压电压差为120 V，母线PT的B相对机端PT的A相电压差为60 V、母线PT的A相对机端PT的B相电压电压差为60 V。正常情况下，电压互感器二次电压在一次电压为额定值时，线电压为100 V，相电压为57.74 V。通过分析，上述数据显然是不对的。经过全面检查，外部引出线没有发现异常，那问题明显出现在电压互感器本身接线上。现场对PT接线仔细检查发现，一次接线和二次接线同名端接反(极性反向)，将其改接回正确的同名端接线后，开机再次测量电压A—A，B—B均为0.015 V，二次核相成功。

3 电压互感器极性分析

3.1 机组同期角度分析

发电机同期并网，主要是检测待并侧和系统侧的电压三要素(频率、初相位、最大值)是否一致，以确定合闸并网的点(并网时刻)。考虑到指令输出时间的延迟和实际机械动作的滞后时间，一般会有一个并网导前时间，这个时间可以手动设置，也可以使用合闸反馈来提高精确度。因为交流电为1个旋转矢量，带有周期特性，在实际并网过程中，即使接线错误，只要没有超出同期装置设定幅值差和频率差的参数范围，也能同期合闸成功。如同两列并跑的列车，虽然速度不同，任意两个窗口之间总有对上的那一刻，但这个点大概率不会是同期合闸点，所以需要通过规范3个要素的范围来确定同期合闸点。幅值不同会产生幅值压差；相位不同会产生相位压差；而频率比较特殊，对它的要求是不能完全一致，但又不能相差太大，完全一致则两侧永远不会产生正确交汇点，除非一开始同期就刚好让幅值、相位在允许范围内；而差距太大，则不容易产生稳定的同期点。还是用列车举例，两列并跑的列车如果速度完全一致，则差距永远存在且固定；如果速度差距太大，即使需要的两个窗口对上也会极快的错开，应用到同期上就是同期点刚捕捉到还没等脉冲发出去就又错开了。

同期合闸是在压差尽可能小的瞬间同步上去，最后成为一个整体而步调一致。5号机组合闸测量参数中，同一电源的相同相位、幅值和频率是一致的，在PT接线组别一致的情况下，同一电源的初相也是一致；除非PT本身问题或者极性接线错误，会造成固定180°的相位差。

3.2 波形图角度分析

图3为正常情况下母线和发电机两侧波形曲线在t1时刻的叠加状态。从图中可以看出，正常时应该是几乎完全重叠的，在任意瞬间没有电压差值，也就没有压差导致的电流冲击；如果PT极性反接，则波形如图4所示。在任意瞬间(过零时刻除外)，两侧电压差值为差值最大，此时造成的合闸冲击电流也最大，呈现非同期合闸的最大工况，产生20～30倍额定电流作用下的电动力和发热量，容易导致定子绕组变形、扭曲、绝缘崩裂，甚至烧损发电机。

图3 正常情况下的并网电压波形图

图4 并网电压测量数据波形图

3.3 向量图角度分析

从向量图也可以很直观地反映出，在幅值相同的情况下，当系统和机组两侧在极性接线正确的情况下，两者叠加到一起时是完全重合的(实际存在微小差异)，详见图5。当三相极性反接时其叠加向量(图中A1-A2、A1-B2、B1-B2三条线)为同相位是原值2倍状态，不同相位基本等同于第三相数值(即一个相电压幅值，60 V附近)，这也是最开始测得的母线侧A相对机组侧A相是120 V，母线侧A相对机组侧B相是60 V的原因。

图5 正常与非正常时的各侧向量和叠加向量

3.4 根据波形图的公式分析

波形图中反映的是瞬时状态，而使用工具测量出来的是有效值，故瞬时值的公式为：

Ut=Um×sin(ωt+φ)

(1)

式中，Ut为电压顺时值(V)；Um为电压幅值(V)；ω为电压角频率(rad/s)；t为时间(s)；φ为初相角(rad)。

电压有效值的公式为：

(2)

式中，U为电压有效值(V)；Um为电压幅值(V)。

将公式(2)代入公式(1)，则：

(3)

4 结 语

电压互感器作为一次和二次的连接枢纽，对电力系统和发电厂主设备具有极其重要和特别的意义，它实现了二次对一次的监视、保护、测量和计量；尤其是保护装置，如果接错可能导致误动或拒动情况发生，甚至引发严重设备事故或电网事故。而极性错误也是极其容易出现的问题，所以针对PT或CT等一类装置的投运、调试和试验就必须细心、谨慎和规范，在投运之后不可随意改变其接线和运行方式；如果必须改变，则一定要按照国家和行业的标准及规范来执行。