黄照厅 丁冉 朱皓

【摘 要】文章阐述了一起现场电压互感器二次侧电压异常案例现象，即单母分段主接线母线并列运行时，110 kVⅠ、Ⅱ母电压互感器二次电压出现较大差异，Ⅰ母三相电压正常，Ⅱ母三相电压偏高，并且从故障录波装置分析发现Ⅱ母电压发生畸变，含较高的三次谐波分量。文章介绍了该二次电压异常检查处理思路，同时根据现场电压异常数据，定性分析该二次电压异常产生的原因。

【关键词】二次电压;中性线;三次谐波

【中图分类号】TM451 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）12-0053-05

0 引言

目前，变电站主要通过采集电压互感器二次绕组电压实现对高压系统电压的监测，保护装置、测控装置、电能表等二次设备也依托该二次电压实现自身功能。由文献[1-3]可知，如果电压互感器不能准确传变一次设备电压，可能导致电能表计量不准确、测控装置误发信号、保护装置不正确动作。在电压互感器本身符合国家标准时，二次回路的可靠接线是一次系统电压能够准确传变十分重要的因素。

本文以110 kV凤凰变电站发生的一起现场电压互感器二次侧电压异常案例为例，结合故障录波数据及其典型特征，介绍电压互感器二次侧电压异常时的一种检查处理思路，并对该二次电压异常现象的原因进行详细分析和探讨。

1 PT二次电压异常相关情况介绍

110 kV凤凰变电站110 kV侧为单母分段主接线，Ⅱ母带110 kV水凤线、110 kV明凤线运行，其主接线图如图1所示。

110 kV凤凰变电站110 kV侧母线并列运行的时候，110 kVⅠ、Ⅱ母电压互感器二次电压波形出现较大差异，从故障录波装置调取110 kVⅠ、Ⅱ母二次电压波形图如图2所示。

从图1可以看出，Ⅰ母三相电压峰值正常，均为85 V左右。Ⅱ母三相电压偏高，A相峰值约107.03 V，B相峰值约108.78 V，C相峰值约109.17 V，并且发现Ⅱ母电压波形有明显的畸变，含较高的3次谐波分量。

如果上述二次电压异常现象未得到及时处理且该站110 kVⅡ母二次设备继续运行，将造成以下影响。

（1）当一次设备发生接地故障时，2号主变及水凤线的接地故障保护可能会拒动或误动。

（2）二次电压谐波含量满足明凤线保护装置pt断线告警条件，会直接闭锁该装置距离保护及方向段零序保护功能，从而使明凤线失去主要后备保护功能。

（3）备自投装置110 kVⅡ母电压采样异常，可能导致备自投装置不正确动作。

（4）2号主变、110 kV水凤线、110 kV明凤线、110 kVⅡ母测控装置采集到的电压是含大量3次谐波分量的异常电压，不能准确反映现场一次设备遥测信息。

1.1 谐波含量分析

运行方式不做改变，进一步测试电压互感器二次电压，得110 kVⅠ、Ⅱ母线二次电压谐波含量数据（见表1）。

从表1中可看出，110 kVⅠ母二次电压的2、3、4、5次谐波含量均在1%以下，而110 kVⅡ母二次电压谐波含量数据如下：A相基波电压分量为60.194 V、3次谐波分量为18.506 V（为基波含量的30.74%），B相基波电压分量为61.106 V、3次谐波分量为18.414 V（为基波含量的30.13%），C相基波电压分量为60.884 V、3次谐波分量为18.551 V（为基波含量的30.47%），三相电压均含约30%的3次谐波分量，将电压谐波含量转化为更为直观的条形图（如图3所示）。从图3可看出，仅110 kV Ⅱ母电压含有明显的3次谐波。

1.2 相关测试

110 kV Ⅰ、Ⅱ段母线并列运行，Ⅰ母电压互感器二次电压正常，仅Ⅱ母电压互感器二次电压谐波含有率很高。为了分析确认二次电压异常的原因，现场开展了如下测试。

（1）断开110 kVⅡ母电压互感器二次空气开关，将110 kVⅠ母电压互感器二次电压通過电压互感器并列把手，使得Ⅰ、Ⅱ母二次电压并列，此时Ⅰ、Ⅱ母二次电压均正常，3次谐波电压消失。

（2）断开110 kVⅠ母电压互感器二次断路器，将110 kVⅡ母电压互感器二次电压通过电压互感器并列把手，使得Ⅰ、Ⅱ母二次电压并列，此时Ⅰ、Ⅱ母二次电压均异常，含有明显的3次谐波分量。

通过上述测试，排除了一次系统产生3次谐波造成电压异常的可能。

2 PT二次电压异常分析

在电力系统中，往往是非线性负载导致谐波的出现，非线性负载上流过的电流与负载电压呈非线性关系，就形成非正弦电流，即有谐波产生。针对110 kVⅠ、Ⅱ母电压互感器二次电压波形出现较大差异的情况，在排除系统产生3次谐波的可能性后，依次从电压互感器、二次回路查找故障原因。

2.1 电压互感器状况分析

2.1.1 电压互感器一次本体状况分析

由110 kVⅠ、Ⅱ母故障录波波形及谐波分析测试数据（见图2和表1）可以知道，110 kVⅡ母三相二次电压中含有相位一致、幅值大小基本相同的3次谐波。由此可知二次电压中的3次谐波来自同一干扰源。由文献[4]可知，当电压互感器某一相由于故障产生3次谐波时，该三相电压互感器产生的谐波相位存在差异，据此可确定不是电压互感器某一相产生3次谐波。

进一步将110 kVⅡ母电压互感器操作至检修状态，对其开展高压试验检查，结论是一次设备连接可靠正确，Ⅱ母电压互感器试验合格。确定Ⅱ母电压互感器一次本体无异常，不可能产生3次谐波。

2.1.2 电压互感器铁磁谐振分析

由文献[5-6]可知，当电压互感器发生铁磁谐振时，电压互感器二次侧电压的谐波分量主要是1/3次谐波，其频率约17 Hz。从录波波形及测试数据看，电压互感器二次电压的谐波分量主要是3次谐波，没有较为明显的1/3次谐波，这样的波形及测试数据与电压互感器发生铁磁谐振时的波形明显不符，因此可以确定不是电压互感器发生铁磁谐振造成该电压异常。

基于以上几点，确认电压互感器工作正常，不存在故障，3次谐波不是来自电压互感器，而是来自干扰。据此可确定电压互感器本体无问题，推测造成电压畸变的源头在二次设备或二次回路。

2.2 带不同负荷时的谐波含量分析

首先检查110 kV Ⅰ、Ⅱ母线电压互感器二次电压接地点情况，结论是电压互感器二次电压N600一点接地合格。接着逐一隔离相关二次设备及回路，收集、分析110 kVⅡ母二次电压谐波数据，分析后发现只要带二次负载，Ⅱ母二次电压均会产生一定的谐波含量。

2.2.1 110 kVⅡ段母线空载运行

将110 kVⅡ段母线电压互感器所有二次设备负载隔离即Ⅱ母空载运行时，分析测试所得电压数据见表2。从表2得到以下结论。

（1）110 kVⅡ母二次电压3次谐波含有率很低，均在1%以下。

（2）110 kVⅠ、Ⅱ母电压互感器型号与参数完全一致，在并列运行情况下二次电压理论上应完全一致，但实际上存在一定差异。

2.2.2 110 kVⅡ母线仅带水凤线保护装置运行

隔离其他所有二次设备负载，110 kVⅡ母线仅带水凤线保护装置运行时的电压数据见表3。

将表3与110 kVⅡ母带全部负荷运行时的二次电压3次谐波含量进行对比，结果如图4所示。

由图4可以看出，110 kVⅡ母线二次电压谐波含量全负荷运行时约30%，仅带水凤线运行时约20%，发生明显的变化。隔离其他二次设备，则Ⅱ母二次电压谐波含有率均发生明显变化，由于不可能所有二次设备均会带来谐波干扰，怀疑Ⅱ母至电压并列屏二次回路有问题。

2.2.3 电压互感器至电压并列屏相关二次回路检查

检查电压互感器至电压并列屏相关二次回路发现，电压互感器二次回路中性线在PT端子排处虚接，给110 kVⅡ母二次电压回路引入了干扰。现场将虚接中性线可靠连接后电压恢复正常，Ⅰ、Ⅱ母电压相等且不含明显的谐波分量，测试数据见表4。

3 中性线断线产生谐波原因分析

当电压互感器电压二次回路中性线与二次设备负载可靠连接且中性线接地良好时，接线示意图如图5所示。

此时保护装置小PT能准确反映PT二次侧的电压输出，U2a、U2b、U2c幅值相等，相位相差120°，为正向序，电源中性点U2n与地的电位相等为零。

该回路中因为负载不平衡导致有3次谐波电流出现，该谐波电流通过中性线流通，使得三相励磁电流均为尖顶波，从而产生正弦波的磁通，三相电压呈正弦波。

在中性线接地断开时，回路中的3次谐波电流不能通过中性线流通（如图6所示）。

由文献[7-8]可知，当铁芯中主磁通和励磁电流的关系为非线性的曲线，即铁心磁路为非线性时，各相中的正弦波励磁电流会产生平顶波的磁通，该磁通可分解为基波磁通和3次谐波磁通。同理，基波电势和3次电势合成可得到呈尖顶波的相电势。

此时中性点电压U2n不为零，即存在中性点位移电压，而且各相对地电容不相等，感应到二次引线上的干扰信号不能够经二次绕组中性线和大地连接，同时二次负荷的阻抗（每台二次设备的阻抗为几百欧姆）相对较大，不能使干扰信号得到大幅衰减，相当于在中性线断口处引入一个零序干扰源，从而在输出二次电压信号上叠加了干扰信号（如图7所示）。

由上述可知，当电压互感器二次回路中性线断线且发生零点漂移时，由于中性线与其他信号线之间通過杂散电容和互感的耦合，因此导致电压互感器二次中性线与保护测量回路接地点之间产生零序谐波电位差，在保护及测量二次回路产生大量的奇次谐波，并以3次谐波为主，从而造成电压互感器二次电压异常。

4 结语

本文阐述了一起现场电压互感器二次回路中性线虚接案例现象，收集了现场电压异常数据，最后定性分析该二次电压异常产生的原因，即电压互感器二次回路中性线断线时会产生较高的3次谐波分量。同时介绍了一种电压异常检查思路，希望能给广大同行提供二次回路检修运维新思路。

参 考 文 献

[1]GB/T 14549—93，电能质量公用电网谐波[S].

[2]GB/T 17626.7—1998，电磁兼容试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则[S].

[3]原治安.电压互感器断线原理与应用[J].电子自动化设备，2009，29（8）：153-156.

[4]燕飞，沈军.电压互感器三次谐波电压异常的原因分析[J].电测与仪表，2012，49（8）：55-60.

[5]麦荣焕，邓小强.一起110 kV电容式电压互感器二次电压异常故障分析[J].机电信息，2014（27）：53-54.

[6]周芳，韩幸军，李懂懂，等.一起110 kV母线电容式电压互感器二次电压异常分析与处理[J].电气技术，2011（5）：51-52.

[7]刘东超，李铁仲，张哲，等.PT中性线断线的研究[J].电力系统保护与控制，2010（5）：84-87，92.

[8]刘奎，赵青春，戴光武，等.一种检测PT中性线断线的方法[P].中国专利：CN108957203A，2018-12-07.