張兵海，曹樹(shù)江 ，李鐵成，王江濤，孟 強(qiáng)，郝曉光，趙春雷

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北省電力調(diào)度通信中心，石家莊 050021；3.保定供電公司，河北 保定 071051；4.邯鄲供電公司，河北 邯鄲 056002)

1 概述

向量檢查是繼電保護(hù)工作中重要的項(xiàng)目之一。向量錯(cuò)誤將導(dǎo)致正常運(yùn)行狀態(tài)或故障狀態(tài)的繼電保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，繼電保護(hù)正式投運(yùn)前必須嚴(yán)格保證向量的正確性。傳統(tǒng)繼電保護(hù)向量檢查，由于采用一次系統(tǒng)實(shí)際的工作電壓和負(fù)荷電流，在新設(shè)備投入運(yùn)行之前其正確性無(wú)法全面驗(yàn)證。在新設(shè)備投運(yùn)過(guò)程中需要通過(guò)倒閘操作，采用母聯(lián)斷路器和臨時(shí)保護(hù)串帶方式，對(duì)新設(shè)備充電。傳統(tǒng)繼電保護(hù)向量檢查，通常由于一次系統(tǒng)負(fù)荷電流難以組織，達(dá)不到向量檢查所需要的數(shù)值而不得不專(zhuān)門(mén)調(diào)整、變更系統(tǒng)的運(yùn)行方式，大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)過(guò)渡方式的時(shí)間。在智能化變電站中，采用電子式或光學(xué)互感器后，來(lái)自互感器的電氣量由光纖直接接入繼電保護(hù)裝置，常規(guī)二次加壓、通流試驗(yàn)等將無(wú)法進(jìn)行。這些問(wèn)題制約了新設(shè)備投運(yùn)工作的工作效率，增加了電網(wǎng)和主設(shè)備安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

利用微機(jī)型繼電保護(hù)裝置靈敏度高的特點(diǎn)，采用源自實(shí)際一次系統(tǒng)的電流和電壓，以設(shè)備穿越短路的方法進(jìn)行變電站的負(fù)荷模擬，進(jìn)行繼電保護(hù)等二次系統(tǒng)的向量檢查，達(dá)到確認(rèn)繼電保護(hù)等二次系統(tǒng)向量正確性的目的，可有效降低設(shè)備投運(yùn)時(shí)繼電保護(hù)等二次系統(tǒng)不正確動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，降低電網(wǎng)運(yùn)行隱患。

2 原理分析

繼電保護(hù)向量檢查包括保護(hù)裝置采樣的二次電壓值、二次電流值、二次電壓間角度、二次電流間角度，以及電壓、電流間角度值與一次側(cè)電壓、電流的對(duì)應(yīng)性等。保護(hù)裝置顯示的二次電壓、電流應(yīng)等于按電壓互感器、電流互感器變比折算后的二次電壓、電流數(shù)值，電壓間、電流間及電壓與電流間角度應(yīng)等于一次側(cè)電壓間、電流間角度。向量檢查主要檢查電流互感器變比檔位和極性選取的正確性、電壓與電流二次回路接線(xiàn)的正確性。對(duì)于互感器角差和比差過(guò)大、保護(hù)裝置讀取數(shù)值誤差偏大、智能站數(shù)據(jù)丟幀等問(wèn)題，應(yīng)通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)判斷，當(dāng)偏差較大時(shí)通過(guò)向量檢查可以查出。

投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)指在變電站投運(yùn)前，即在變電站設(shè)備不帶實(shí)際負(fù)荷的情況下，檢查確認(rèn)繼電保護(hù)向量的正確性。試驗(yàn)的基本方法是在變電站設(shè)備一次側(cè)模擬實(shí)際負(fù)荷，當(dāng)模擬負(fù)荷量達(dá)到繼電保護(hù)向量檢查要求的條件時(shí)，進(jìn)行二次繼電保護(hù)的向量檢查。

試驗(yàn)設(shè)備為三相調(diào)壓器、三相升壓變壓器的組合，模擬負(fù)載采用感性負(fù)載。計(jì)算研究表明，15 Ω的模擬負(fù)載是較為理想的數(shù)值，110 kV、220 kV變電站的模擬負(fù)荷達(dá)到100 kVA時(shí)可滿(mǎn)足二次側(cè)繼電保護(hù)向量檢查的要求，此時(shí)試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓為1 250 V(線(xiàn)電壓)、輸出電流不小于50 A；對(duì)于500 kV及以上電壓等級(jí)變電站，試驗(yàn)設(shè)備的輸出電壓應(yīng)不小于2 500 V(線(xiàn)電壓)，輸出電流應(yīng)不小于80 A。技術(shù)原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)原理示意

如圖1中所示的被試設(shè)備為輸電線(xiàn)路、母線(xiàn)間隔，當(dāng)被試設(shè)備為變壓器時(shí)，則不用模擬負(fù)載，直接將被試變壓器的另一側(cè)三相短路，變壓器零序電流回路向量試驗(yàn)時(shí)應(yīng)加入不對(duì)稱(chēng)模擬負(fù)荷；當(dāng)試驗(yàn)電壓互感器零序電壓回路向量時(shí)，應(yīng)將被試變電站變壓器隔離。

此項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的前提是當(dāng)前的繼電保護(hù)均已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，保護(hù)裝置均設(shè)置有數(shù)字面板或人機(jī)對(duì)話(huà)窗口，通過(guò)保護(hù)裝置的人機(jī)界面可監(jiān)測(cè)到裝置采樣的二次電壓、電流，通過(guò)分析二次電壓、電流的采樣值確定向量的正確與否。當(dāng)前各種微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)字顯示有效數(shù)字普遍已達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后第2位，有的裝置已達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后第3位或更多，小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)越多越有利于此項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的完成。對(duì)當(dāng)前已運(yùn)行微機(jī)保護(hù)精確工作電壓、電流的調(diào)研及對(duì)保護(hù)裝置實(shí)際可顯示的最小二次電壓、電流數(shù)值的測(cè)試表明，當(dāng)投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查試驗(yàn)設(shè)備容量大于100 kVA、輸出電壓大于1.2 kV、輸出電流不小于50 A時(shí)，可滿(mǎn)足當(dāng)前110 kV、220 kV變電站投運(yùn)前即檢查確認(rèn)繼電保護(hù)向量正確性的要求，允許的電流互感器變比最高為2 500/1。當(dāng)變電站電壓等級(jí)更高，如500 kV電壓等級(jí)、電流互感器變比為4 000/1時(shí)，可采取改進(jìn)技術(shù)提高試驗(yàn)設(shè)備的輸出電流，使之適用于直至特高壓1 000 kV電壓等級(jí)的交流系統(tǒng)。

試驗(yàn)系統(tǒng)的電源取自變電站配電電源，電源電壓經(jīng)試驗(yàn)系統(tǒng)接入被試變電站一次設(shè)備，如相序錯(cuò)誤將直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)的判斷錯(cuò)誤。因此，試驗(yàn)開(kāi)始前必須首先確定試驗(yàn)設(shè)備的相序。試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)保證試驗(yàn)設(shè)備輸出的三相電壓電流平衡、正相序。

進(jìn)行線(xiàn)路間隔(或稱(chēng)支路)試驗(yàn)時(shí)，可在線(xiàn)路間隔的電流互感器外側(cè)接入模擬負(fù)載(即試驗(yàn)電抗器)，在另一間隔加入試驗(yàn)量，兩間隔運(yùn)行于不同母線(xiàn)，如圖2所示(圖中設(shè)備編號(hào)不特指某個(gè)變電站)。這種方法可以檢查線(xiàn)路保護(hù)、母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)、變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)等保護(hù)的向量。

圖2 投運(yùn)前線(xiàn)路和母線(xiàn)繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)原理示意

進(jìn)行變壓器間隔試驗(yàn)時(shí)，在被試變壓器一側(cè)的電流互感器的非變壓器側(cè)加入試驗(yàn)量，被試變壓器另一側(cè)的電流互感器非變壓器側(cè)三相短路(可使用接地開(kāi)關(guān)來(lái)完成，三相短路變?yōu)槿喽搪方拥?，可檢查變壓器差動(dòng)保護(hù)向量，如圖3所示(圖中設(shè)備編號(hào)不特指某個(gè)變電站)。

圖3 投運(yùn)前變壓器繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)原理示意

此外，還可進(jìn)行線(xiàn)路保護(hù)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)和變電站各側(cè)電壓核相試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中考慮被試對(duì)象的不同，可盡量使試驗(yàn)范圍擴(kuò)大，這樣可使一次試驗(yàn)涵蓋更多的一次間隔和更多的繼電保護(hù)裝置。

在進(jìn)行變壓器間隔試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，即計(jì)算出試驗(yàn)量加入側(cè)的變壓器阻抗，計(jì)算式為

(1)

式中：XTR為試驗(yàn)量加入側(cè)的被試變壓器阻抗；Ur-test為試驗(yàn)量加入側(cè)的被試變壓器額定電壓，Sr為試驗(yàn)量加入側(cè)的被試變壓器額定容量，Ud%為試驗(yàn)量加入側(cè)到試驗(yàn)時(shí)三相短路側(cè)的短路電壓。試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)關(guān)系Utest=ItestXload，其中，Utest為試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際輸出電壓；Itest為試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際輸出電流；Xload為模擬負(fù)載(線(xiàn)路、母線(xiàn)試驗(yàn)時(shí)為15 Ω，變壓器試驗(yàn)時(shí)為變壓器短路阻抗，電阻分量R均忽略不計(jì))。

使用常規(guī)的向量判別方法判斷Utest、Itest經(jīng)電壓互感器、電流互感器變換進(jìn)入保護(hù)裝置后的向量正確性。

3 可行性分析

3.1 與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的符合性分析

向量檢查模擬試驗(yàn)是在一次系統(tǒng)施加電壓和電流，電氣量經(jīng)電壓和電流互感器及其二次回路后接入繼電保護(hù)裝置，互感器、二次回路和保護(hù)裝置處于正常的工作狀態(tài)。與規(guī)程要求的采用“工作電壓和負(fù)荷電流”本質(zhì)上完全一致，區(qū)別只是在于一次系統(tǒng)的電氣量是直接源自發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的還是中間經(jīng)過(guò)試驗(yàn)裝置產(chǎn)生的，由于試驗(yàn)裝置能夠完全正確的轉(zhuǎn)變，因此試驗(yàn)結(jié)論可信，符合規(guī)程要求。

3.2 對(duì)常規(guī)向量檢查技術(shù)的替代性分析

傳統(tǒng)向量檢查技術(shù)是在變電站帶電后有負(fù)荷穿越情況下進(jìn)行的，電壓為額定電壓，電流為負(fù)荷電流，進(jìn)行保護(hù)向量判別時(shí)，誤差較小易于判別。投運(yùn)前的向量檢查試驗(yàn)為模擬負(fù)荷，盡管試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法達(dá)到額定電壓，但試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓已高于保護(hù)裝置的精確工作電壓，故模擬試驗(yàn)的電壓能夠滿(mǎn)足要求，保護(hù)裝置的精確工作電流一般為額定二次標(biāo)稱(chēng)電流的10%，模擬試驗(yàn)的電流一般達(dá)不到這么大，但只要裝置的靜態(tài)調(diào)試正常，電流通道采樣飄移在允許范圍內(nèi)，小電流仍然可以在裝置上正常反應(yīng)，只是影響相位的判別誤差偏大。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，模擬負(fù)載為感性負(fù)載，理論上電流應(yīng)滯后電壓約90°，實(shí)際數(shù)據(jù)在80°～87°，考慮忽略的電阻分量的影響，相位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全能夠滿(mǎn)足對(duì)結(jié)論正確性的驗(yàn)證。

模擬負(fù)荷的小電壓、小電流雖然滿(mǎn)足繼電保護(hù)向量的判別要求，但對(duì)于常規(guī)向量檢查工作中不限于向量檢查的項(xiàng)目方面可能略有欠缺，如根據(jù)電壓數(shù)值判斷變電站變壓器的抽頭位置的三相統(tǒng)一性、鐵磁諧振的可能性、長(zhǎng)線(xiàn)路電容電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)差流的影響、互感器誤差、差動(dòng)電流回路是否存在多點(diǎn)接地等問(wèn)題，仍然需要在變電站投運(yùn)后使用實(shí)際的工作電壓、較大的負(fù)荷電流來(lái)判斷。

2011年，河北省南部電網(wǎng)共應(yīng)用投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)對(duì)18個(gè)變電站進(jìn)行試驗(yàn)(包括2個(gè)電廠升壓站、5個(gè)110 kV變電站、3個(gè)智能變電站)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明此項(xiàng)技術(shù)完全滿(mǎn)足繼電保護(hù)向量檢查的要求。

3.3 與傳統(tǒng)向量模擬試驗(yàn)技術(shù)的分析比較

使用大電流發(fā)生設(shè)備或使用380 V電壓接入一次設(shè)備，也可在變電站投運(yùn)前進(jìn)行繼電保護(hù)的向量試驗(yàn)，達(dá)到投運(yùn)前檢查確認(rèn)某些繼電保護(hù)向量的目的，但是因其受試驗(yàn)設(shè)備限制(主要原因是不能同時(shí)發(fā)生大電流、高電壓)，不能做到有效檢查變電站內(nèi)所有繼電保護(hù)向量的目的。使用投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)，在檢查確認(rèn)繼電保護(hù)向量的同時(shí)，可一并完成測(cè)量、計(jì)量、錄波、PMU等二次系統(tǒng)的向量檢查。投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)適用于各種接線(xiàn)形式的變電站，包括GIS、AIS、雙母接線(xiàn)、橋接線(xiàn)等及智能變電站，適用于交流各電壓等級(jí)的新建變電站，試驗(yàn)?zāi)軌蚝w變電站內(nèi)所有繼電保護(hù)。投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查技術(shù)與傳統(tǒng)向量模擬試驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查試驗(yàn)與傳統(tǒng)向量模擬試驗(yàn)的對(duì)比

4 結(jié)論

a. 投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查試驗(yàn)技術(shù)是繼電保護(hù)試驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新，將原來(lái)在變電站帶電后進(jìn)行的繼電保護(hù)向量檢查工作放在了帶電之前做，降低了投運(yùn)過(guò)程中因繼電保護(hù)向量不確定而引發(fā)的大量一次系統(tǒng)倒閘操作帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少了投運(yùn)過(guò)程中的操作工作量，縮短了電網(wǎng)處于過(guò)渡方式下的時(shí)間。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，提高了工程投運(yùn)的工作效率，有效降低了投運(yùn)過(guò)程中電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)和繼電保護(hù)等二次設(shè)備向量不確定帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，杜絕了工程投運(yùn)后可能長(zhǎng)期沒(méi)有負(fù)荷而帶來(lái)的主設(shè)備和電網(wǎng)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。

b. 投運(yùn)前繼電保護(hù)向量檢查試驗(yàn)技術(shù)使傳統(tǒng)繼電保護(hù)二次專(zhuān)業(yè)的工作性質(zhì)延伸到電氣一次專(zhuān)業(yè)，因此試驗(yàn)時(shí)需要了解掌握電氣一次專(zhuān)業(yè)的有關(guān)問(wèn)題，并熟悉設(shè)備的運(yùn)行方式和短路計(jì)算。

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