張 旭 ，李鐵夫 ，孔凡雪 ，李遠(yuǎn)東 ，孔凡春

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東 棗莊 277100；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院，山東 棗莊 277100；3.浙江工商大學(xué)，浙江 杭州 310018；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

六角圖試驗(yàn)作為一種簡(jiǎn)單可行的檢驗(yàn)方法，能夠有效判別互感器極性、變比以及回路的正確性，成為新安裝的或回路有較大變動(dòng)的繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置投運(yùn)前必須完成的試驗(yàn)項(xiàng)目［1］。 DL／T 1040—2007《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》規(guī)定，繼電保護(hù)裝置只有在用一次負(fù)荷電流和工作電壓進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)互感器極性、變比及其回路等正確性后，方可正式投入運(yùn)行［2］。DL／T 995—2006《繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)規(guī)程》也明確規(guī)定，對(duì)于新安裝的或回路有較大變動(dòng)的繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置，在投運(yùn)前必須用一次電流及工作電壓進(jìn)行檢驗(yàn)，判定接入電流、電壓的相別、相位關(guān)系以及各組電流回路的相對(duì)極性關(guān)系和變比等是否正確［3］。若因接線錯(cuò)誤等原因造成上述正確性無(wú)法保證，繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置投運(yùn)后就會(huì)發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成影響。

圖1 六角圖試驗(yàn)工作原理

六角圖試驗(yàn)原理如圖1所示，利用三相相位儀等儀器測(cè)量出被試設(shè)備同頻下的三相電壓、三相電流的幅值和相角，然后繪制在二維坐標(biāo)系內(nèi)，直觀呈現(xiàn)出6個(gè)被測(cè)量的相互關(guān)系，再結(jié)合相量分析綜合判定相別、相位等的正確性。

由于常用數(shù)字式相位儀難以精確測(cè)量0.20 A及以下電流，對(duì)于互感器變比較大的線路、變壓器、母差以及站用變等設(shè)備，當(dāng)所帶的負(fù)荷較小即二次電流低于0.20 A時(shí)，就無(wú)法對(duì)互感器極性、組別、變比和方向等的正確性進(jìn)行判定。為確保被測(cè)設(shè)備帶上足夠大的負(fù)荷電流，以便順利完成六角圖試驗(yàn)，往往需要專門安排倒閘操作調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，造成等待時(shí)間長(zhǎng)、消耗電能等問(wèn)題。另外，對(duì)于電鐵牽引站的專供線路，短時(shí)集中負(fù)荷特性明顯［4］，即：只有在電氣化列車通過(guò)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)荷電流，但持續(xù)時(shí)間可能僅有幾分鐘，給六角圖試驗(yàn)工作帶來(lái)較大難度，試驗(yàn)人員不得不跟高鐵“賽速度”，有時(shí)為完成測(cè)試等待數(shù)小時(shí)時(shí)間，甚至往返多次。上述特殊運(yùn)況下的六角圖試驗(yàn)難題困擾著電力一線職工，亟待研究解決。

1 方案選定及可行性論證

如圖2所示，高壓輸電架空線路相對(duì)地、相對(duì)相之間存在固有的電容，因此即便是處于熱備用的空載狀況，也將自然產(chǎn)生一定大小的容性微電流，即“線路空載容性微電流”，且該電流較線路電壓保持超前90°的固定相位差。若能夠?qū)Υ宋㈦娏鬟M(jìn)行精確測(cè)量，就可以在熱備用線路空載狀態(tài)下完成六角圖試驗(yàn)，避免為獲得較大負(fù)荷電流進(jìn)行專門的倒閘操作。

圖2 輸電線路固有等值電容

查閱線路設(shè)計(jì)手冊(cè)，架空線路單項(xiàng)對(duì)地空載容性微電流估算公式［5］為：

式中：U為線路的額定電壓，kV；L為線路長(zhǎng)度，km；對(duì)于無(wú)架空地線的系數(shù)取2.7，有架空地線的系數(shù)取3.3。

以某110 kV架空線路為例，全長(zhǎng)為28.05 km，根據(jù)式 （1）計(jì)算出單相對(duì)地空載微電流為8.33~10.18 A，電流互感器變比為1 200／5，故二次電流理論值為0.034 A以上。變電站內(nèi)用高精度毫安表對(duì)多條熱備用線路的空載微電流進(jìn)行實(shí)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值均與理論值完全一致，其大小均在0.03 A以上。由此可見(jiàn)，若能對(duì)0.03~0.25 A的微電流進(jìn)行精確測(cè)量，就可以解決大變比設(shè)備和電鐵線路等特殊運(yùn)況下的六角圖試驗(yàn)難題?；凇皩?duì)熱備用線路空載容性微電流精確測(cè)量，取代實(shí)際用電負(fù)荷完成六角圖試驗(yàn)”的設(shè)想，提出以下3種解決方案。

方案1，采用高分辨率、高精度的相位儀。經(jīng)調(diào)查，市場(chǎng)上已有一些分辨率可滿足線路空載微電流測(cè)量需要的高精度相位儀，主要通過(guò)I／U轉(zhuǎn)換、多級(jí)放大等電子電路對(duì)被測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行采集、放大和測(cè)量，準(zhǔn)確度在0.5級(jí)以上，測(cè)量最小范圍可達(dá)pA級(jí)。但此類產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴，且通常多用于電子領(lǐng)域，對(duì)于變電站內(nèi)強(qiáng)工頻干擾、高噪聲的應(yīng)用場(chǎng)合難以適用。如何濾除工頻干擾、噪聲、電路失調(diào)等雜質(zhì)信號(hào)成為亟待突破的瓶頸。

方案2，采用微電流測(cè)量專用電流鉗+常規(guī)相位儀。電流鉗作為相位儀的電流輸入，由穿心式電流互感器和鉗形扳手等組成，可在不斷電的情況下對(duì)被測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行采集。若改變鉗頭硅鋼片的厚度，就能對(duì)感應(yīng)繞組的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而利用電流鉗對(duì)微電流進(jìn)行一級(jí)放大，再作為常規(guī)相位儀的電流輸入，滿足線路空載微電流測(cè)量需求。此方案對(duì)電流鉗鉗頭硅鋼片的加工工藝要求苛刻，否則將產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，因此必須聯(lián)系生產(chǎn)廠家加工制作專用的電流鉗。

方案3，采用新型微電流采集放大裝置+常規(guī)電流鉗+常規(guī)相位儀。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律［6］可知：電流鉗產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與其卡夾的線圈匝數(shù)n成正比。因此，考慮研制新型微電流采集放大裝置，即繞制一個(gè)多匝絕緣線圈串接在被測(cè)電流回路中，將常規(guī)電流鉗卡夾在這個(gè)外接線圈上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電流的多倍放大（放大倍數(shù)取決于鉗頭所夾的線圈匝數(shù)），然后再輸入到常規(guī)相位儀完成微電流精確測(cè)量。該方案原理簡(jiǎn)單，無(wú)需外接電源，特別是在變電站強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，具有較高的實(shí)用性和可靠性，但應(yīng)充分考慮接口過(guò)壓保護(hù)功能設(shè)計(jì)，避免電流二次回路開(kāi)路帶來(lái)安全隱患。

綜上，初步選定方案3。為進(jìn)一步論證該方案的可行性，如圖3所示，用絕緣漆包線制作出5~20倍放大模型，利用標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出進(jìn)行微電流測(cè)試。

10倍放大模型測(cè)量結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)0.03 A以上的微電流采集放大后，配合使用常規(guī)相位儀測(cè)量誤差保持在5%以內(nèi)，并能成功測(cè)量出電流的相位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，可滿足變電站特殊的應(yīng)用環(huán)境要求。

圖3 新型微電流采集放大裝置模型測(cè)試

表1 10倍放大模型測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 新型微電流采集放大裝置總體技術(shù)方案

2 新型微電流采集放大裝置設(shè)計(jì)

新型微電流采集放大裝置總體技術(shù)方案如圖4所示。該裝置主要由電流采集放大線圈、放大檔位切換壓板和接口過(guò)壓保護(hù)元件等組成。其中，電流采集放大線圈直接串接在被測(cè)電流回路中，將相位儀電流鉗卡夾在該外接N匝線圈上，采集的電流就被放大了N倍；放大檔位切換壓板用于調(diào)整電流鉗卡夾線圈的匝數(shù)，切換電流放大倍數(shù)；接口過(guò)壓保護(hù)元件實(shí)現(xiàn)接口過(guò)壓告警指示和保護(hù)雙重功能，防止電流二次回路開(kāi)路產(chǎn)生高壓危害人身和設(shè)備安全。

新型微電流采集放大裝置加工組裝如圖5所示。選用DSP2-4A型繼電器絕緣外殼，內(nèi)部集成各種元件，實(shí)現(xiàn)小型化和便攜式設(shè)計(jì)。

圖5 新型微電流采集放大裝置

2.1 電流采集放大線圈設(shè)計(jì)

電流采集放大線圈就是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)增加電流鉗卡夾線圈的匝數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)微電流的多倍放大。如圖6所示，截取45 mm長(zhǎng)的耐高溫PVC管加工線圈骨架，沿管徑方向開(kāi)20 mm長(zhǎng)槽，保證電流鉗能夠順利卡夾，另外在其兩端加工半徑為5 mm的弧形槽，用于纏繞線圈。多匝線圈采用中間帶抽頭式設(shè)計(jì)，將絕緣漆包線纏繞在骨架上，分別在第5圈、10圈、20圈引出黃、綠、紅3個(gè)抽頭（黑線為線圈公共端），實(shí)現(xiàn)5倍、10倍、20倍放大。僅為電流鉗提供一個(gè)公共卡夾窗，操作更加簡(jiǎn)便可靠。

圖6 電流采集放大線圈

2.2 放大檔位切換壓板設(shè)計(jì)

如圖7所示，選用拔插式壓板實(shí)現(xiàn)電流放大倍數(shù)檔位的自由切換，操作簡(jiǎn)便迅速，接觸電阻小于50 μΩ。接觸點(diǎn)采用線簧孔，無(wú)金屬裸露部分，不易發(fā)生誤碰。通斷狀態(tài)易于觀察，防止操作失誤導(dǎo)致的電流二次回路開(kāi)路等問(wèn)題。

圖7 放大檔位切換壓板

圖8 接口過(guò)壓保護(hù)元件

2.3 接口過(guò)壓保護(hù)元件設(shè)計(jì)

對(duì)于運(yùn)行中的電流互感器，二次回路一旦發(fā)生開(kāi)路，就會(huì)在二次側(cè)瞬間感應(yīng)出高電壓［7-9］，給設(shè)備和人員的安全帶來(lái)威脅。如圖8所示，為有效防止因使用人員操作失誤造成電流二次回路開(kāi)路風(fēng)險(xiǎn)，新型微電流采集放大裝置設(shè)計(jì)安裝了接口過(guò)壓二級(jí)保護(hù)元件。NHO-40型輝光氖氣放電燈用于實(shí)現(xiàn)接口過(guò)壓告警指示功能，當(dāng)接口電壓達(dá)到40 V時(shí)立即點(diǎn)亮，對(duì)使用者起到提醒作用；當(dāng)接口電壓高于52 V時(shí)可靠截止，保證接口電壓不再升高，確保設(shè)備和人員安全。TO-85型半導(dǎo)體放電管用于接口過(guò)壓后備保護(hù)功能，當(dāng)接口電壓達(dá)到100 V時(shí)發(fā)生永久性擊穿短路，從而在輝光氖氣放電燈無(wú)法正常工作時(shí)起到后備保護(hù)作用［10］。

表2 新型微電流采集放大裝置測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4 標(biāo)準(zhǔn)電流端子排可插入式接線柱設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)加工可直接插入標(biāo)準(zhǔn)電流端子排的接線柱，新型微電流采集放大裝置直接插入電流端子就完成了串接工作，做到即插即用，無(wú)需外接試驗(yàn)線，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率如圖9所示。若待接入的電流端子排非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，可在電流端子與裝置接線柱之間串接短試驗(yàn)線，以確保良好連接。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)電流端子排可插入式接線柱

圖10 新型微電流采集放大裝置整體組裝及試驗(yàn)測(cè)試

2.5 裝置整體組裝及試驗(yàn)測(cè)試

如圖10所示，各組成元件加工制作完畢后，對(duì)新型微電流采集放大裝置進(jìn)行整體組裝，并利用K6030型繼電保護(hù)測(cè)試儀完成精度測(cè)試。保持K6030型繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出57.7 V交流電壓、電流相位超前電壓90°不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)，分別繪制出電流誤差和角度誤差曲線，如圖11所示。配合使用原常規(guī)相位儀和電流鉗，對(duì)于0.025 A以上的電流，電流誤差小于5%，角度誤差小于4°，能夠滿足對(duì)0.038~0.250 A的微電流精確測(cè)量要求。

圖11 新型微電流采集放大裝置誤差曲線

3 新型微電流采集放大裝置應(yīng)用效果

經(jīng)反復(fù)測(cè)試改進(jìn)，成功研制出如圖10所示的新型微電流采集放大裝置，配合使用常規(guī)相位儀和電流鉗，能夠?qū)醾溆镁€路空載容性微電流進(jìn)行采集放大、精確測(cè)量，從而取代實(shí)際用電負(fù)荷，高效順利完成六角圖試驗(yàn)工作。該裝置原理簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)，已在多個(gè)220 kV變電站工程竣工送電中實(shí)際應(yīng)用，后經(jīng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置投運(yùn)后帶負(fù)荷復(fù)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果一致。這一成果的應(yīng)用避免了倒負(fù)荷操作和電量損失，縮短了設(shè)備投運(yùn)送電等待時(shí)間，節(jié)約了人力物力支出，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大變比設(shè)備、電鐵供電線路等特殊運(yùn)況測(cè)試難題，提出并實(shí)現(xiàn)了基于對(duì)熱備用線路空載容性微電流精確測(cè)量，取代實(shí)際用電負(fù)荷完成六角圖試驗(yàn)的解決方案，研制出一款簡(jiǎn)單實(shí)用的新型微電流采集放大裝置。與同類研究和同類技術(shù)相比，主要?jiǎng)?chuàng)新有：

1）利用法拉第電磁感應(yīng)定律，將多匝線圈串接在電流二次回路中，對(duì)熱備用線路固有的空載容性微電流進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)無(wú)源放大，取代實(shí)際用電負(fù)荷完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，無(wú)須帶負(fù)荷操作，讓六角圖試驗(yàn)更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能、更高效。

2）在電鐵供電線路測(cè)試方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，切實(shí)解決其負(fù)荷電流不穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間短導(dǎo)致的六角圖試驗(yàn)難題，避免現(xiàn)場(chǎng)人員長(zhǎng)時(shí)間等待和多次往返，大幅提高工作效率。

3）設(shè)計(jì)安裝輝光氖氣放電燈和半導(dǎo)體放電管，成功實(shí)現(xiàn)接口過(guò)壓告警指示和保護(hù)雙重功能，有效避免電流二次回路開(kāi)路造成安全隱患，確保裝置應(yīng)用時(shí)更加安全可靠。

［1］胡勇．六角圖試驗(yàn)的使用與說(shuō)明［J］．機(jī)電信息，2011（21）：213-214．

［2］電力行業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則：DL／T 1040—2007［S］.北京：中國(guó)電力出版社．

［3］電力行業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置檢驗(yàn)規(guī)程：DL/T 995—2006［S］．北京：中國(guó)電力出版社．

［4］李煒．電鐵供電線路繼電保護(hù)整定原則及分析［J］．湖南電力，2011，31（4）：29-32．

［5］劉強(qiáng)，劉永放．空載熱備用輸電線路電能表計(jì)量分析［J］．電測(cè)與儀表，2006，43（2）：27-31．

［6］單文忠．法拉第電磁感應(yīng)定律及其難點(diǎn)探究［J］．中學(xué)物理，2008（2）：62-64．

［7］齊建芬，郭存瑞，趙德義，等．電流互感器二次回路開(kāi)路及接地問(wèn)題的探討［J］．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2009（15）：76-77．

［8］靳建峰，翁利民，扈艷玲，等．一種新型的電流互感器開(kāi)路保護(hù)裝置［J］．電力電容器，2005（1）：6-10.

［9］靳建峰，喬中華，邱文嚴(yán)，等．關(guān)于CT開(kāi)路保護(hù)裝置的幾點(diǎn)見(jiàn)解［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27（3）：34-36.

［10］李鐵夫，宋士賢，王任，等．無(wú)源交流微電流采集放大裝置：201320284594.4［P］.2013-12-04.