断路器分开时错误计量电能故障分析

时间：2024-07-28

陈红，邓滔，杨建文，欧朝龙，陈福胜

(1湖南省电力公司株洲电业局，湖南株洲 412000;2.湖南省电力公司长沙电业局，湖南长沙 410002;3湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007)

某水电厂将35 kV线路414开关设备更换 (断路器和电流互感器合二为一)后投入系统带负荷运行且电能计量正常。而当414线路投切为热备用状态 (即断路器分开、两侧的隔离刀闸合上)，运行人员在抄表时却发现电能表正在计量反向下网电量 (实时功率约为－10 W)，每天折算电量约3 000 kWh，几天的时间就已造成错误电能达数万千瓦时。

1 调查分析与处理

针对此计量故障，技术人员在现场进行了大量的调查分析和测试。

现场运行情况为414和402线路的断路器投切为分开状态，一次线路中不可能有电流通过，其电能表的二次电压回路接到母线电压互感器，计量方式为三相三线制。在现场测试时，电能表端的二次实时功率为－10 W，二次电压为Uab=106 V，Ucb=105 V，二次电流为Ia=36 mA，Ic=109 mA。这是由于414二次电流回路中存在较大的二次电流造成了错误计量电能。

电流互感器型号为LZZBJ4－35，电流变比为300/5A，二次绕组有3个:1S1－1S2，0.2级 (计量);2S1－2S2，0.5 级 (测量/保护);3S1－3S2，D级 (母差保护)。

为了查明此错误二次电流的来源，采用电能表现场校验仪在414二次电流端子箱来测量A相和C相电流互感器 (B相二次全部短接，未使用)所有二次绕组的电流，校验仪的a，b，c三相电流测量端每次分别接入了每相电流互感器的3S1－3S2，2S1－2S2，1S1－1S2;同时，为了正确测量3个电流的向量，将校验仪的三相电压并联在一起接入一个小电压作为参考向量，即Ua/Ub/Uc接3S1，Un接3S2，如图1。

图1 现场测量TA 3个二次绕组的接线方法

图2 电流互感器3个二次绕组的电流向量图

现场所测实时电流向量图如图2。由图2可看出，二次母差保护绕组的电流与其它2个绕组方向基本相反，计量、测量绕组基本同相;而且，A相二次母差保护绕组电流的大小 (34 mA)与其它2个绕组 (22 mA)的基本相等，C相3个二次绕组的电流基本相等 (都为100 mA左右)。当用二次短接线短接3S1－3S2D级二次绕组时，其它2个绕组中的电流为0。为此，初步判断这是由于母差保护二次不平衡电流作为电流互感器的激磁电流而产生了计量和测量绕组中的感应电流，并使电能表产生了电能计量。

在现场通过多次改变设备的不同状态来查清故障的直接原因，结果发现:在采用图1所示方法进行测试时，将断路器由手动方式操作合上后，其母差绕组中电流基本不变，而在计量和测量绕组中却基本无感应电流 (只有1 mA左右);再将断路器分开，计量和测量绕组中的感应电流与故障情况相同。由此判断，电流互感器二次绕组中的电流互感现象是由于装置结构本身存在缺陷引起的。

为了验证此类装置的结构存在缺陷具有普遍性，对同一批次的另一台尚未安装的新设备进行了模拟测试，如图3所示。当断路器操作为分开时，在A相和C相分别从其3S1－3S2加入100 mA电流，结果发现其它2个绕组反向电流都为100 mA左右;当断路器合上时，同样在A相和C相分别从其3S1－3S2加入100 mA电流，结果发现其它2个绕组基本无感应电流。

图3 现场模拟D级绕组输入电流测量其它二次绕组的感应电流

另外，也测量了同样断路器处于热备用状态的另一条线路402(其断路器和电流互感器组合设备尚未更换，仍采用旧型号的设备)的二次电流，发现其D级二次绕组也有约20 mA的电流，但测量、计量2个绕组的电流很小，只有3 mA左右。

至此，断定这种设备确实是由于设计或安装的原因在结构上存在缺陷而引起了这种计量故障的发生。后来，厂家技术人员到达了现场进行分析处理，发现装置中有1个随断路器操作连杆上下移动的金属油杯，在断路器处于分开状态时，金属油杯下降所处的位置刚好可与电流互感器母差绕组中电流产生的励磁形成通路，从而在计量和测量绕组中感应产生电流;将此油杯改为塑料材质后，装置工作全部正常。因此，母差保护绕组中虽然存在电流，如磁感应不能形成通路，在电流互感器二次绕组中也不能产生相互感应的电流。

2 工作机理分析

根据以上现象，从电路原理和互感器的工作原理等方面进行了分析和推导。

2.1 母差保护绕组电流的产生

电流互感器母差保护绕组的误差等级一般较低，实际误差可达2%以上。如图4所示为414断路器分开时二次电流示意图，在正常工作状态下，母线的一次电流平衡，但电流互感器二次绕组并联后，由于多条线路不同电流互感器的测量误差不能正负完全抵消，累加产生一个不平衡电流I0，不平衡电流I0的一部分经分流通过其它电流互感器的母差保护绕组。一般情况下，电流互感器二次绕组阻抗值Z1≫母差继电器电流线圈阻抗值Z0，电流互感器二次绕组的分流电流极小，装置设计合理时不会带来不利影响。

4 C相母差保护电流二次接线及二次电流示意图

当用互感器二次负荷测试仪对TA的母差保护二次绕组和母差继电器的电流线圈进行阻抗测试时，结果为二次绕组 A相 Z=1.25 Ω，cosΦ=0.79，C相Z=0.34 Ω，cosΦ=0.85;母差继电器电流线圈为A相Z=0.30 Ω，cosΦ=0.24，C相Z=0.29 Ω，cosΦ=0.96。可见，在这种出现故障的装置中Z1与Z0阻抗值较接近，因此，母差保护绕组中实际分流较大，这也验证了采用图2方法所测的电流值A相较小、C相较大的现象。

图5 断路器与电流互感器一体装置结构示意图

2.2 母差保护绕组电流励磁回路的形成

如图6为引起此计量故障装置的结构示意图。母差保护绕组励磁磁势I23N23在铁质金属油杯与操作机构正好运动到下行程极限时，由高磁导率的铁代替低磁导率的空气填充磁路间隙，主磁通Φ0大大增加，电流互感器二次绕组相互之间的电磁感应强度增加，因而产生一个较大的互感电流I21，I22;当金属油杯运动到上行程极限时，磁路间隙全为空气，主磁通Φ0因回路磁阻较大在二次绕组之间的电磁感应较弱，互感电流I21和I22接近于0。

图6 单相多绕组互感器二次绕组之间的磁通互相匝链现象

2.3 电流互感器二次绕组中互感电流的产生

单相多绕组TA的各绕组之间磁通是互相匝链的，一个绕组通过电流时会对另一绕组产生电磁感应，如图6所示。在本文分析的TA中，其一次磁势由二次母差不平衡电流经414TA二次绕组的分流部分激励产生，根据TA的磁势平衡原理I1N1≈I2N2，即感应磁势与磁势大小接近相等，方向相反。因为二次绕组的匝数相等，所以感应电流与激励电流大小接近相等，方向相反。