电压互感器极性问题分析
摘要：电压互感器的极性问题是电力系统容易引发保护或其他安全自动装置出现误动误判的重要原因之一，不管是电流还是电压，极性错误都将导致较为严重的后果.我司下辖的小白塔电站在进行机端PT等屏柜改造完成后进行了并网前一次和二次核相检查，核相过程中发现数据异常，经过全面分析和检查，最终锁定故障点是PT装置极性错误，并进行了改接处理，于后续实验中顺利完成核相数据测试，避免了该问题引发事故或扩大问题。
关键词：互感器 极性 相位 分析 引言
2021年3月18日晚，小白塔水电站在完成4号和5号发电机机端励磁变开关柜改造后进行了一系列试验，以确保机组并网万无一失，当进行到二次相位核查时，测值数据异常，经过现场细致分析和检查后发现柜内新安装的机端母线电压互感器极性错误，改接正确后恢复正常，并在随后的同期操作中成功并入系统网络。
电压互感器Potential transformer 简称PT，Voltage transformer也简称VT（后面直接用PT）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，一般有测量（用于数据显示）、计量（用于电度累计）、保护（用于继电保护）等几种功能。根据绕组数量区分有两圈、三圈、四圈等几种，实际由需求决定圈数。
1小白塔水电站现场情况 1.1 小白塔站PT主接线情况
小白塔电站选用了两组四圈电压互感器，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，
同时取A、B两相接入同期装置用于机组同期。单独一组开口三角线圈用于机端接地检测。（见图一）
图1 小白塔电站机端PT接线图 图2 小白塔电站4、5号机改造后接线图
小白塔站共5台发电机组，其中1-3号发电机并接于6kVⅠ母，4-5号机组并接于6kVⅡ母，机组并网时需通过机端PT和6kV母线PT进行捕捉比较。设备改造之后，必须确定一次和二次接线的正确性，检测PT的功能完好，这就需要分别进行一次和二次核相。
1.2 小白塔电站PT的核相方式及结果
一次核相的方法较为简单，就是比较改造点两侧的A、B、C相旋转方向是否一致并相差120度。正常情况下除非A、B、C相的接线顺次全部接错，否则只要两侧旋转方向一致那就可以确定一次接线正确。
二次核相是通过PT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。该方法为→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。以小站5号机组为例，步骤为：
1、合上51隔离刀闸；2、分开5号机组5开关；3、分开5号机组51刀闸； 4、分开#Ⅱ主变低压侧602开关 ；5、分开#Ⅱ主变低压侧6022刀闸 ； 6、将发电机开启至发电状态；（此时5开关合上将电源输送至6kVⅡ母）
7、使用万用表测量机组LCU柜同期端子上的两侧电压。
正常情况下，母线和机端PT因为都采用同相电压，且接线组别相同（小白塔电站选用用A、B两相），在同一电源作用下，A对A、B对B测量电压差值应在0V附近，实际可能因PT差异有微小压差出现，而小站测量出的电压如下表：
系统侧 机组侧 A相 B相 A相 120 60 B相 60 120 表1 小白塔PT二次核相结果(单位：V)
PT二次电压在一次为额定值时，线电压100V，相电压60V,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PT本身，现场对PT接线仔细检查发现一次和二次同名端接反（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0.015V，同期合闸成功。
2 PT极性数据分析 2.1 同期分析
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），分为线路并网和电源并网（发电机），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。
因为交流电为一旋转矢量，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，如同两列并跑的列
车，虽然速度的不同，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我们想要的那个点。所以我们的目的是要通过规范三个要素的范围来确定那个想要的点。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，我们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，应用到同期上就是并车点刚捕捉到还没等脉冲发出去就又错开了。
我们需要的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。回到小站的合闸测量参数中，同一电源的相同相位，他们的幅值和频率肯定是一致的，这个也可以通过测量得出，那么剩下的就是相位差距，在PT接线组别一致的情况下，同一电源的初相绝对一致，除非PT本身问题，还有就是极性错误，会造成固定180度的相位差。
2.2 波形图分析
图2 正常情况下的并网电压波形图 图3 小白塔电站并网电压测量数据波形图
图2为正常情况下两侧波形曲线和在t1时刻的叠加状态，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3，在任意瞬间（过零时刻除外），两侧电压差值为最恶劣情况（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，可能导致定子绕组变形、扭曲、绝缘崩裂，甚至烧损发电机。
2.3 向量图分析
图4 正常与非正常时的各侧向量和叠加向量
从向量图也可以很直观的反映出，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），当三相极性反接时其叠加向量（图中黑色部分）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，60V附近），这也是最开始测得的系统A对机组A是120V，系统A对机组B是60V的原因。
2.4 根据波形图的公式分析
波形图中反映的是瞬时状态，而我们使用工具测量出来的是有效值，而瞬时值的公式为：
① Ut=Um（sinωt+φ） 有效值的公式为： ② U=Um/
，则Um=U*
将公式②代入公式① 则： Ut= U*
（sinωt+φ）
当Ut在变为原值2倍且某一瞬间固定时，比较前后可以认为（sinωt+φ）为一常数，例如设A=（sinωt+φ）,那么2Ut=2*（
UA）公式中只有Ut和U为
变量，也就是Ut的变化随U的大小变化或U的变化等同于Ut的变化。
根据上述公式推导结论是：瞬时值的大小变化与有效值一致。 结语
小白塔水电站的此例问题是一起典型的PT极性接错而引发的，虽然主要原因是设备本身，但如果没有检查出来，可能导致非常严重的后果。
PT作为高压和低压的连接枢纽，对工作现场的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、调试和实验就必须小心、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和规范来执行。
