國內外電壓互感器二次回路接地方式比較分析

楊鎮榮，黃敘銀，邢 光，何學東*

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.璞信電力工程設計有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著“一帶一路”倡議的推進，我國在國外建設了并還將建設許多輸變電站，為更好地滿足用戶的要求，工程設計時應充分考慮國內外技術標準的差異，持續地進行國內外技術標準研究與分析比對是必須要做的工作。

國內外常規變電站中，獨立的、與其他互感器沒有電氣聯系的電壓互感器（簡稱“TV”）的二次回路都是要求在其就地端子箱一點接地。但對于有電氣聯系的電壓互感器，其二次回路接地方式，國內外工程差異較大。對于國內工程，要求TV中性線不應接有可能斷開的開關或熔斷器等［1-3］，導致有電氣聯系的TV 只能在保護室經中性線小母線或并聯端子排（N600）一點接地；而國外工程強調最短路徑、低電阻接地［4-5］，要求所有TV在開關場就地端子箱一點接地。

本文綜合分析了國內外TV 二次回路接地方式差異和優缺點，說明了各自標準強調的重點問題及工程設計方案。TV二次回路必須且只能有1個接地點，在此基礎之上，允許不同國家或地區有各自的差異性解決方案，以滿足不同用戶的關鍵要求。

1 國內外TV二次回路接地方式差異

1.1 國內工程的接地要求

《十八項電網重大反事故措施》（以下簡稱“《反措》”）及相關標準［6-10］要求電壓互感器二次回路必須且只能有1個接地點，并應符合下列要求：

1） 有電氣聯系的電壓互感器的二次回路應在相關保護室一點接地，宜在電壓并列柜處接地。

2） 各電壓互感器的中性線不應接有可能斷開的開關或熔斷器等。

3） 獨立的、與其他互感器沒有電氣聯系的電壓互感器的二次回路宜在其就地端子箱一點接地。

目前國內主流理念是TV 二次回路盡量在就地端子箱接地，但對有電氣聯系的TV二次回路均在電壓并列柜處將各路中性線互連并接地，中性線不參與切換/并列操作。鑒于有電氣聯系的TV 二次回路的廣泛應用，TV二次回路實際在端子箱接地的很少。中性線不參與切換的電壓切換［11-13］和并列回路［14-17］分別如圖1和圖2所示，具體動作原理見本文3.1及3.2描述。

圖1 中性線不切換的電壓切換回路Fig.1 Voltage switching circuit without switching neutral line

圖2 中性線不切換的電壓并列回路Fig.2 Voltage parallel circuit without switching neutral line

1.2 國外工程的接地要求

CIGRE（國際大電網會議組織）于2013年4月發布了《EMC within Power Plants and Substations》（以下簡稱為“《EMC》”）［18］，對于TV 二次回路的接地要求見圖3所示，詳述如下：

圖3 EMC要求的電壓互感器二次回路Fig.3 Secondary circuit of voltage transformer required by EMC

1） 為了安全，二次回路必須在高壓設備處接地，為了盡可能減少中性線和接地線所形成的環路，電路和電纜屏蔽層都應在互感器箱體上接地，而不應分開連接到接地網。

2） 所有進入端子箱的電纜屏蔽層和中性線都應經端子箱接地。由于互感器和端子箱之間的雙芯電纜長度很短，中性線（互感器和端子箱）的雙重接地對共阻抗耦合干擾電平影響很小。

3） 在任何情況下，保護室內都不容許中性線另外接地。

4） 當2 個互感器連接到同一設備（如同步回路）上，雙重接地不可避免時，必須使用隔離變壓器。

5） 最好為每根電纜敷設1 根截面至少50 mm2的接地銅排（PEC）。

6） 如果安全規則允許，當中性線僅在1 個點接地（如在端子箱中接地，互感器處不接地）時，會獲得較低的干擾電壓。

根據IEEE Std c57.13.3 2014互感器二次回路和外殼接地指南［19］5.7條建議，互感器的接地要便于拆除以進行隔離或檢測等操作，要確保拆除1 個電路的接地連接不會影響其他電路的接地。此外，多個國外電力公司標準［20-21］也均明確要求電壓互感器二次回路在就地端子箱處一點接地。

故對于有電氣聯系的TV，國外工程多采用將中性線和相線一樣經過繼電器切換，此方式不同于國內，每組TV 中性線相互獨立，并經過了可斷開的繼電器觸點。以下是2個工程實例。

圖4為印度某變電站220 kV線路保護屏電壓切換回路圖，可以看出7n 采用雙位置磁保持繼電器，通過此間隔線路的I、II母母線隔離開關位置啟動和復歸繼電器，實現兩組TV 電壓切換，可以看出中性線和R 相線、Y 相線、B 相線一樣經過繼電器K13、K23 觸點切換，此站于2015年投運至今，運行正?？煽?，未發生切換繼電器異常動作情況。

圖4 印度220 kV變電站的電壓切換回路Fig.4 Voltage switching circuit of 220 kV substation in India

圖5為博茨瓦納某變電站220 kV線路保護屏電壓切換回路圖，采用同上案例類似的切換方式。此站于2019 年投運，目前運行良好，未發生切換繼電器異常動作情況。

圖5 博茨瓦納220 kV變電站的電壓切換回路Fig.5 Voltage switching circuit of 220 kV substation in Botswana

2 TV二次回路接地方式比較分析

2.1 國內接地方式分析

《反措》特別強調“各電壓互感器的中性線不應接有可能斷開的開關或熔斷器等”，是因為這些“可能斷開的開關或熔斷器”在正常運行時可能誤斷開，如：并列/切換繼電器失電、隔離開關位置異常、繼電器觸點接觸不良造成中性線斷線［22］，使提供基準電位的一點接地缺失。當發生TV中性線斷線時，由于中性點電位漂移，保護裝置的相電壓會發生變化，從而可能導致零序方向元件、電壓元件誤動，由此已引發多起事故，嚴重影響繼電保護動作的正確性［23］。另外，如果中性線接有可能斷開的設備，在回路切換需要斷開時，還可能無法斷開，如：切換繼電器觸點粘連，可能導致兩組TV回路誤并列和多點接地。必須采取合理的措施預防和處理電壓互感器中性線斷線故障，保證電網安全運行。

2.2 國外接地方式分析

CIGRE、IEEE 等國外標準要求在就地端子箱處接地，將中性線同相線一起參與切換/并列操作，使各TV中性點相互隔離，可實現各TV 中性點在端子箱處接地。端子箱處接地、中性線參與并列/切換操作（以下簡稱為“方式A”）與保護室接地、中性線不參與并列/切換操作（以下簡稱為“方式B”）相比具有以下優勢：

1） 實現低電阻接地，減小共阻抗耦合干擾。多回路公用1 個接地點及接地引下線，入地共模電流是所有接入回路的電流之和，回路數越多，共模電流疊加越大，產生的地電位越高，使所接入裝置受干擾的風險顯著加大［24］。方式A 為共模干擾電流入地提供了最短路徑和最低的接地阻抗，同時也阻止了共模電流沿中性線傳播對鄰近平行敷設的電纜產生干擾；另外，共模信號在傳輸中受不平衡電路的影響會轉換成差模干擾信號，如上所分析，方式A 降低了共模干擾電流，可避免共模電流轉換成差模信號疊加到有效信號上產生畸變，而導致二次裝置狀態異常甚至誤動。

2） 降緩傳導干擾。電纜經感性（磁場）耦合和容性（電場）耦合產生的傳導干擾與電纜長度和連通的接地導體構成的環路面積成正比。在方式B中，多個TV二次回路連接到一起接地，構成了一個范圍極廣的星型接地網，增加了電纜長度和接地環繞面積，導致傳導干擾增大，二次裝置受干擾的風險顯著提高。而采用方式A，各TV 中性線相互獨立，避免了中性線相互連接長度加倍和大面積的接地環路，有利于降緩傳導干擾。

3） 安全可靠性高。采用方式A，不同安裝位置的3只TV二次繞組中性線匯集在端子箱就地接地，該接地點距離最近、聯系最緊，沒有任何斷開點或轉接線，十分安全可靠。反之采用方式B，回路復雜且距離較長，中間出現多處電纜轉接，在控保屏維護檢修或升級更換過程中，存在失去接地［25］或多點接地［26-29］的風險；相關回路異常時需要逐條線路排查，回路分析困難，運維人員工作量較大。另外TV 異常檢修時，還可能出現停運TV二次中性線與其他TV電壓回路沒有完全斷開的問題，存在安全隱患。

4） 避免經放電間隙或氧化鋅閥片（JB）接地。采用方式B 時，宜在接線端子箱處經放電間隙或氧化鋅閥片接地。對于氧化鋅閥片存在兩個問題：其一，存在介質電容，高頻共模干擾信號有可能通過介質電容入地，產生兩端接地的效果；其二，是閥片老化問題，非線性特性惡化，漏電流激增，存在多點接地事故隱患［30-32］。而采用方式A，不需要設置此設備，省去了巡檢和檢修的運維麻煩，避免了閥片擊穿造成二次回路多點接地的問題。

2.3 智能變電站TV二次回路接地說明

智能變電站以電子式互感器、合并單元取代傳統的電磁式互感器，以數字信號取代傳統的模擬電量采集，通過光纖、通信線組成數字化傳輸網絡，避免了常規變電站隔離開關位置異常、并列/切換繼電器觸點粘連或接觸不良等設備不可靠及各種電磁干擾問題［33-42］；隨著電子式互感器、合并單元配置方案的完善及穩定性、可靠性等設備性能的提高，上文TV 二次回路接地的相關問題將不復存在。

3 國外工程TV二次回路接地改進方案

在進行國外工程設計時，需改進電壓互感器二次回路接地方案，使之滿足相關國外標準的要求。據多年國外工程應用情況看，目前大多數國外地區均采用中性線經過切換的方式。目前TV 二次回路進入裝置均經過采樣電路板上的小型TV隔離，只需改進裝置外電壓切換/并列回路，就可以使多個TV 二次回路之間無電的聯系，改進方案如下。

3.1 電壓切換回路的改進

雙母線接線方式下，利用母線隔離開關的輔助觸點控制單位置或雙位置繼電器，通過繼電器的觸點自動選擇相關母線電壓，保證二次設備輸入電壓隨一次設備運行方式的變化同步切換。圖1是國內采用的電壓切換電路原理圖，只是對三相電壓進行切換，兩段母線上TV的中性線固定連接在一起。

根據國外工程經驗，將TV二次繞組中性線同相線一起切換，如圖6中所示。

圖6 中性線經切換的電壓切換回路Fig.6 Voltage switching circuit with switching neutral line

切換繼電器1YQJ、2YQJ在工作狀態下，始終只有1組繼電器動作，因此在中性線加入切換后，始終保持2組TV中性線始終是互不相連，兩側的接地點各自獨立，故不存在多點接地問題。此時只需要將切換繼電器的觸點由3對更換為4對即可，實施難度較小。

3.2 電壓并列回路的改進

雙母線、單母線分段等接線方式下，2組母線并列運行（母聯/分段斷路器及其兩側的隔離開關合位）時，利用母聯/分段斷路器及其兩側隔離開關的輔助觸點控制單位置或雙位置繼電器，通過繼電器的觸點實現兩組母線電壓互感器二次回路的自動連接，保證在一段母線電壓互感器故障、檢修等原因退出運行時，用另一段母線電壓互感器為此段母線負載提供二次電壓。圖2 所示回路為國內廣為采用的并列方式，中性線固定連接在一起，接地點設在電壓并列屏處，另就地經放電間隙或氧化鋅閥片接地。I 母PT、II 母TV 分別表示兩段母線電壓互感器二次繞組輸出；1GWJ、2GWJ為切換繼電器，YQJ 為并列繼電器。分列工況下，1GWJ、2GWJ觸點分別閉合，YQJ觸點處于斷開狀態，兩段TV的二次輸出三相電壓各自獨立，分別輸送至本段間隔的二次裝置。

圖7是改進后的原理圖。同理，將TV中性線同相線一起切換，就地端子箱接地。在某TV 退出運行后，相應GWJ觸點斷開，YQJ觸點處于閉合狀態，退出運行的TV 二次回路的相線和中性線一同退出，兩段母線TV 二次回路中性線不再相連，接地點相互獨立，不存在多點接地問題。

圖7 中性線經切換的電壓并列回路Fig.7 Voltage parallel circuit with switching neutral line

此改進方案僅需將原1GWJ、2GWJ 和YQJ 繼電器3對觸點更換為4對觸點，可利用現有裝置中的備用擴展板增設1組切換并列繼電器，容易實現。

4 結語

常規變電站電壓互感器二次回路最佳接地方式是在開關場就地端子箱處一點接地，考慮到隔離開關、繼電器等設備的可靠性問題，國內標準要求TV中性線不應接有可能斷開的開關或熔斷器等，以避免繼電保護裝置誤動造成嚴重事故，但這樣導致了有電氣聯系的TV二次回路不能在端子箱接地，一定程度上影響了保護裝置等的抗干擾效果。國外標準更關心抗干擾，工程設計普遍采用了中性線與相線一起切換的方案，實現了在端子箱接地的目標，但此方案必須認真對待設備的可靠性問題，加強隔離開關、繼電器選型及做好定期校驗，以保證變電站運行的安全可靠。隨著智能變電站的發展、普及，電子式電壓互感器逐漸推廣，由于采用了數字采樣技術，實現了數字化傳輸，可以規避設備可靠性及干擾等相關問題，是最優的解決方案。