方愉冬，裘愉濤，汪衛(wèi)東，張?jiān)迫A，王俊康，項(xiàng) 鑫，曹文斌

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.浙江省送變電工程有限公司，杭州 310020；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

TA（電流互感器）、TV（電壓互感器）作為電網(wǎng)的重要電氣設(shè)備，承擔(dān)著將一次大電流、高電壓轉(zhuǎn)換成二次小電流、低電壓的功能。變電站內(nèi)TA、TV 感應(yīng)出的二次電流和二次電壓，主要用于站內(nèi)保護(hù)、測量、計(jì)量、故障錄波等裝置，如果TA變比和極性、TV接線發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)、測量計(jì)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等嚴(yán)重后果［1-7］。在實(shí)際運(yùn)行中，因電流二次回路接線存在一些特殊要求，如3/2接線方式下需將同一串兩個(gè)間隔保護(hù)的中斷路器電流二次回路反極性引出、雙母雙分段接線方式下不同廠家母差保護(hù)對(duì)母聯(lián)電流回路極性要求不一致等，現(xiàn)場TA極性錯(cuò)誤的情況時(shí)有發(fā)生。因此在變電站投運(yùn)前，必須對(duì)全站TA、TV接線與變比進(jìn)行檢查，并通過帶負(fù)荷試驗(yàn)對(duì)所有裝置電流電壓回路接線正確性加以檢驗(yàn)和判定［8-9］。

目前，國內(nèi)普遍采用的變電站投運(yùn)前模擬帶負(fù)荷試驗(yàn)方法主要有三種。一是使用工頻三相大電流發(fā)生器對(duì)普通TA進(jìn)行一次通流［10-11］，可驗(yàn)證TA 變比并間接判斷極性。二是對(duì)TA 和TV 分別進(jìn)行一次通量以驗(yàn)證TA和TV一次接線及二次回路的正確性［12-13］，該方法未將兩者協(xié)同考慮來共同驗(yàn)證。三是采用由大容量調(diào)壓變壓器、中間變壓器、補(bǔ)償電容器、試驗(yàn)負(fù)載等組成的繼電保護(hù)向量模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過向一次裝置直接輸出固定相位的大電流、高電壓，從而在TA、TV 二次回路中產(chǎn)生穩(wěn)定的、模擬實(shí)際負(fù)荷的二次模擬量［14］。

對(duì)于前兩種試驗(yàn)方法，一般只能夠?qū)A、TV 進(jìn)行單體通流通壓，驗(yàn)證單體TA 和TV 的變比，無法對(duì)全站TA極性進(jìn)行綜合檢查，存在較大局限性。無論從正確率還是效率上，均難以滿足工程質(zhì)量和工程進(jìn)度的要求。TA和TV作為一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的橋梁，兩者共同表征了一次系統(tǒng)的狀態(tài)。一次系統(tǒng)中的電流電壓緊密聯(lián)系，只有兩者同步輸出，相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果才能真實(shí)模擬負(fù)荷向量。傳統(tǒng)試驗(yàn)方法將兩者割裂的做法存在明顯弊端。第三種方法將一次系統(tǒng)視為整體，試驗(yàn)效果有了很大的提升，但該方法存在試驗(yàn)儀器體積過大、重量過重、運(yùn)輸不便、試驗(yàn)作業(yè)面大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)，較難在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中推廣。

本文針對(duì)了現(xiàn)有變電站投運(yùn)前一次通流通壓試驗(yàn)方法存在的弊端，提出運(yùn)用大電流、高電壓解耦同步輸出的帶負(fù)荷試驗(yàn)方法，研發(fā)了相應(yīng)的三相一次通流通壓成套試驗(yàn)裝置。介紹了在不同接線方式、不同電壓等級(jí)下的一次通流通壓試驗(yàn)方案，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

1 通流通壓一體裝置試驗(yàn)方法分析

引言所述的第3種試驗(yàn)方法因其能模擬實(shí)際情況，試驗(yàn)效果不錯(cuò)，但存在許多弊端，圖1為該試驗(yàn)方法的接線示意圖。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及廠家說明書要求，保護(hù)裝置電流、電壓精確工作范圍最小值為0.01In和0.05Un。對(duì)于500 kV系統(tǒng)，最小工作電壓為2 885 V；對(duì)于220 kV 系統(tǒng)，最小工作電壓為1 270 V。若TA 二次額定電流In為1A，TA 變比為3000/1和4 000/1 時(shí)對(duì)應(yīng)的一次最小工作相電流分別為150 A 和200 A。若采用圖1 所示試驗(yàn)方案，大容量通流通壓一體裝置需同時(shí)輸出大電流和高電壓，假設(shè)試驗(yàn)時(shí)輸出相電流幅值為I，輸出相電壓幅值為U。根據(jù)上述分析，應(yīng)滿足I≥200 A，U≥3 000 V，儀器輸出視在功率S=3UI≥1.8 MVA，該容量已經(jīng)達(dá)到500 kV 站用變壓器容量（一般為800 kVA）的2.25倍，需調(diào)壓變壓器和升壓變壓器配合使用。因此，該方法所需試驗(yàn)裝置體積龐大、接線復(fù)雜。由于試驗(yàn)時(shí)一次裝置直接通過高電壓和大電流，試驗(yàn)導(dǎo)線需同時(shí)考慮大電流發(fā)熱和高電壓絕緣的問題，試驗(yàn)過程風(fēng)險(xiǎn)較大，試驗(yàn)工作面較大，需安排的安全監(jiān)護(hù)人數(shù)較多。

2 基于電流電壓解耦同步輸出的帶負(fù)荷試驗(yàn)方案

2.1 大電流、高電壓解耦輸出原理

研究圖1所示試驗(yàn)系統(tǒng)可知，由于實(shí)際一次系統(tǒng)中TV和TA一般不是一體化設(shè)計(jì)，可以將變電站內(nèi)TV和TA及其二次回路看成是各自獨(dú)立的系統(tǒng)。因此，將TA一次回路和TV一次回路相互隔離。利用電力電子器件及相應(yīng)的控制策略將交流380 V電源變換成低電壓大電流源和低電流高電壓源進(jìn)行輸入。

由于只單純對(duì)TA 一次通流、TV 一次通壓，大電流、高電壓發(fā)生器所需的工作容量滿足TA、TV勵(lì)磁功率、二次回路負(fù)載及一次回路損耗功率即可。通流通壓試驗(yàn)時(shí)所加一次模擬量遠(yuǎn)小于額定值，因此TA和TV的勵(lì)磁損耗很小，可忽略不計(jì)。二次回路負(fù)載以最高額定負(fù)載計(jì)，取TA 1個(gè)繞組額定負(fù)載為15 VA，按5 個(gè)繞組計(jì)共75 VA，TV 1 個(gè)繞組額定負(fù)載為50 VA，按4 個(gè)繞組計(jì)共200 VA。考慮一次回路各種損耗，通流和通壓裝置的功率只需達(dá)到約1 000 VA 即可滿足要求，僅為第1 章中通流通壓一體裝置容量的1/1 000。因此，裝置容量需求可大幅下降，從而達(dá)到輕量化的效果。大電流高電壓解耦輸出試驗(yàn)示意圖如圖2所示，TV 與母線通過隔離開關(guān)連接，只需拉開TV隔離開關(guān)，即可達(dá)到上述目的，試驗(yàn)狀態(tài)改接十分方便。

圖2 大電流高電壓解耦輸出模擬實(shí)際負(fù)荷試驗(yàn)示意圖

2.2 大電流、高電壓同步控制

2.1 節(jié)所述的大電流、高電壓解耦是指一次電氣回路的互相隔離，但為達(dá)到模擬實(shí)際負(fù)荷相量的效果，兩者還必須能夠同步輸出。為使通流和通壓裝置能夠同步輸出，兩者必須建立一定的聯(lián)系。常用的同步手段有以下兩種：

1）被同步裝置間存在直連的通信物理通道配合相應(yīng)的同步算法，比如通過光纖、2M線等通訊裝置進(jìn)行互聯(lián)。常見于線路光差保護(hù)的數(shù)據(jù)同步、智能站母設(shè)合并單元與間隔合并單元的數(shù)據(jù)同步、智能站保護(hù)光纖直采等。

2）被同步裝置間采用共同的基準(zhǔn)源進(jìn)行同步，比如通過時(shí)鐘同步系統(tǒng)，常見于測控裝置通過交換機(jī)采集合并單元采樣值信號(hào)的時(shí)鐘同步。

上述兩種同步方法必須配合專用的通信或?qū)r(shí)模塊及相應(yīng)的同步算法完成，需二次開發(fā)，裝置成本及研發(fā)成本均比較高。本文提出參考站用電交流相電壓過零點(diǎn)進(jìn)行同步的方法，運(yùn)用數(shù)字電路技術(shù)，檢測交流相電壓的過零點(diǎn)，在過零點(diǎn)處分別取得同步脈沖，然后以該同步信號(hào)為基準(zhǔn)，控制各自的逆變電路輸出大電流或者高電壓。

成套試驗(yàn)裝置采用通壓裝置和通流裝置分體設(shè)計(jì)，同步信號(hào)可考慮取自各自電源。實(shí)際使用時(shí)，兩臺(tái)裝置間可能在空間上存在一定距離，為方便同時(shí)控制兩臺(tái)裝置輸出，考慮使用手持式控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)連接的方式進(jìn)行控制。該方法簡單方便，僅需增加較少的同步信號(hào)采集回路及相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，相比增加通信同步或者時(shí)鐘同步，具有便捷、易于實(shí)現(xiàn)、不易受外界干擾、同步效果好的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 成套試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢

基于上述原理，研發(fā)了基于電流電壓解耦同步輸出的投運(yùn)前帶負(fù)荷成套試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 投運(yùn)前帶負(fù)荷成套試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖

模擬帶負(fù)荷試驗(yàn)方法的基本原理為：合理布置被試一次系統(tǒng)裝置連接關(guān)系，使得電流通路和電壓通路無相互聯(lián)系；在被試一次系統(tǒng)合理的位置分別接入成套試驗(yàn)裝置，使得大電流和高電壓可以正常通過TA和TV等被試元件在二次側(cè)感應(yīng)出回采信號(hào)，從而通過判別回采信號(hào)完成模擬帶負(fù)荷試驗(yàn)。

該成套試驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)勢：

1）輸出能力強(qiáng)。相電壓最高可達(dá)3 kV，電流最高可達(dá)300 A，彌補(bǔ)了大功率調(diào)壓器最高輸出電壓和輸出電流難以同時(shí)達(dá)到試驗(yàn)要求的缺陷。

2）裝置輕便。單裝置重量輕、體積小，儀器收納箱采用四只萬向輪設(shè)計(jì)，兩三名試驗(yàn)人員即可完成試驗(yàn)儀器的搭設(shè)。避免使用大功率調(diào)壓器時(shí)，占地面積大，移動(dòng)困難，需要專用車輛、吊機(jī)等弊端。

3）便于操作。使用主控面板進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，更加安全。面板操作簡單，設(shè)置參數(shù)后，點(diǎn)擊輸出，自動(dòng)從零開始增加。當(dāng)電流電壓達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)進(jìn)入恒流恒壓狀態(tài)，維持穩(wěn)定輸出。電流電壓負(fù)載過大時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并提示。

3 采用新方法的一次通流通壓試驗(yàn)方案研究

3.1 電壓回路試驗(yàn)方案

三相一次通壓試驗(yàn)時(shí)，宜直接將高電壓加在試驗(yàn)系統(tǒng)的母線上，使得各個(gè)間隔TV均帶電，完成試驗(yàn)系統(tǒng)的同電源核相。若存在試驗(yàn)引線懸掛點(diǎn)過高、試驗(yàn)接線載流量不足的情況，可將高電壓加至其他更為合理的懸掛點(diǎn)，并通過其他合理方式完成同電源核相工作。

對(duì)于500 kV 系統(tǒng)懸掛點(diǎn)過高，可采用間接方式。一種方法是將高電壓加至TV第三層電容的上端頭（如圖4所示），此方法無法一次性完成全部通壓，對(duì)每組TV均需重新搭設(shè)試驗(yàn)儀器、引線進(jìn)行試驗(yàn)。另一種方法是待主變本體與三側(cè)間隔裝置完成連接后，通過主變的傳變特性直接對(duì)三側(cè)TV進(jìn)行一次通壓。例如，對(duì)于三側(cè)額定電壓為500 kV/220 kV/35 kV的自耦變壓器，可從主變35 kV側(cè)母線通入約200 V 電壓，可在500 kV 側(cè)感應(yīng)出約3 000 V電壓進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 一次通壓裝置加壓接線示意圖

3.2 電流回路試驗(yàn)方案

考慮一次通流和一次通壓同時(shí)進(jìn)行。因不同電壓等級(jí)采用不同的主接線形式，一次通流通壓方式各不相同，下面介紹幾種典型系統(tǒng)接線方式的一次通流通壓方案。

1）單母線接線方式一次通流通壓接線

如圖5所示，將試驗(yàn)裝置通壓輸出端引接至母線TV一次側(cè)，拉開1101TV隔離開關(guān)、1107母線接地刀閘（以下簡稱“地刀”）；將間隔1 的158427接地隔離開關(guān)引流排拆下（圖5中打×處），將試驗(yàn)裝置通流輸出端接入斷點(diǎn)的地刀側(cè)，依次合上158427 地刀、1584 斷路器、15841 隔離開關(guān)、15851 隔離開關(guān)、1585 斷路器、158527 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗(yàn)時(shí)，模擬一次電壓加至母線TV，模擬負(fù)荷從間隔1 注入，通過母線，從間隔2流出，以母線電壓為基準(zhǔn)，可同時(shí)檢驗(yàn)TV 二次回路以及間隔1、間隔2 的TA二次回路。

圖5 單母線接線方式一次通流通壓接線

2）單母分段接線方式一次通流通壓接線

如圖6所示，將試驗(yàn)裝置通壓輸出端引接至Ⅰ段母線TV一次側(cè)，拉開1101TV隔離開關(guān)、1107母線地刀；將間隔1的158527地刀引流排拆下（圖6 中打×處），將試驗(yàn)裝置通流輸出端接入斷點(diǎn)的地刀側(cè)，依次合上158527 地刀、1585 斷路器、15851隔離開關(guān)、分段Ⅰ母側(cè)隔離開關(guān)、分段斷路器、分段Ⅱ母側(cè)隔離開關(guān)、15831隔離開關(guān)、1583斷路器、158327 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗(yàn)時(shí)，模擬一次電壓加至母線TV，模擬負(fù)荷從間隔1 注入，通過分段，從間隔3 流出，以母線電壓為基準(zhǔn)，可同時(shí)檢驗(yàn)TV二次回路以及間隔1、分段、間隔3 三個(gè)間隔的TA 二次回路。

圖6 單母分段接線方式一次通流通壓接線

3）雙母線接線方式一次通流通壓接線

如圖7所示，將試驗(yàn)裝置通壓輸出端引接至線路TV 一次側(cè)，同時(shí)將間隔1 的220127 地刀引流排拆下（圖7中打×處），將試驗(yàn)裝置通流輸出端接入斷點(diǎn)接地側(cè)，依次合上220127 地刀、2201斷路器、22011 隔離開關(guān)、26111 隔離開關(guān)、2611 斷路器、26112隔離開關(guān)、22022 隔離開關(guān)、2202 斷路器、220227 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗(yàn)時(shí)，模擬一次電壓加至線路TV，模擬負(fù)荷從間隔1 注入，通過母線1，經(jīng)過母聯(lián)間隔，最后從間隔2流出，以間隔1電壓為基準(zhǔn)，可同時(shí)檢驗(yàn)TV 二次回路以及間隔1、母聯(lián)、間隔2 三個(gè)間隔的TA二次回路。

圖7 雙母線接線方式一次通流通壓接線

4）雙母雙分段一次通流通壓接線

如圖8所示，將試驗(yàn)裝置通壓輸出端引接至線路TV 一次側(cè)，間隔1 掛于正母Ⅰ段，間隔2 掛于副母Ⅰ段，將間隔1的開關(guān)線路側(cè)地刀引流排拆下（圖8中打×處），將試驗(yàn)裝置通流輸出端接入，依次合上間隔1開關(guān)線路側(cè)地刀、斷路器、正母隔離開關(guān)，正母分段斷路器及其兩側(cè)隔離開關(guān)，2號(hào)母聯(lián)斷路器及其兩側(cè)隔離開關(guān)，副母分段斷路器及其兩側(cè)隔離開關(guān)，間隔2 副母隔離開關(guān)、斷路器、斷路器線路側(cè)地刀，形成圖7中紅色虛線所示的電流通路。試驗(yàn)時(shí)，模擬一次電壓加至線路TV，模擬負(fù)荷從間隔1 注入，通過正母分段、2 號(hào)母聯(lián)、副母分段，從間隔2流出，以線路電壓為基準(zhǔn)，可同時(shí)檢驗(yàn)TV 二次回路以及間隔1、間隔2、正母分段、副母分段、2號(hào)母聯(lián)的TA二次回路。

圖8 雙母雙分段接線方式一次通流通壓接線

5）3/2接線方式一次通流通壓接線

以某500 kV 站第一串（線線串，完整串）、第二串（線變串，完整串）為例。如圖9所示，將試驗(yàn)裝置通壓輸出端引接至線路2TV 一次側(cè)；將501317 地刀引流排拆下（圖9 中打×處），將試驗(yàn)裝置通流輸出端接入地?cái)帱c(diǎn)接地側(cè)，依次合上501317 地刀、5013 斷路器、50132 隔離開關(guān)、50232 隔離開關(guān)、5023 斷路器、50231 隔離開關(guān)、50222 隔離開關(guān)、5022 斷路器、502217 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗(yàn)時(shí)，模擬一次電壓加至線路2TV，模擬負(fù)荷從線路2注入，經(jīng)5013 斷路器、500 kVⅡ母母線、5023 斷路器、5022 斷路器，從線路3 流出，以線路2 電壓為基準(zhǔn)，可同時(shí)檢驗(yàn)線路2TV 二次回路以及50131TA、5023TA、5022TA 3 個(gè)TA 的二次回路。

圖9 3/2接線方式一次通流通壓接線

4 工程應(yīng)用案例

4.1 500 kV保護(hù)二次回路驗(yàn)證

某500 kV變電站500 kV側(cè)一次主接線圖如圖10 所示，其中TA 變比為4 000/1，TV 變比為。

圖10 某500 kV變電站500 kV側(cè)主接線圖

通流方式：合上503217 地刀，電流從503217地刀流入，經(jīng)5032 斷路器、50322 隔離開關(guān)、50331 隔離開關(guān)、5033 斷路器、50332 隔離開關(guān)、500 kVⅡ母、50132隔離開關(guān)、5013斷路器、最終于501317地刀流出。

通壓方式：將蕭亭5452 線TV 一次側(cè)斷引，接上三相一次試驗(yàn)裝置通壓、通流輸出線，試驗(yàn)裝置輸出：A相電流80 A、相角0°；B相電流100 A、相角240°；C 相電流120 A、相角120°；A 相電壓3 000 V、相角0°；B 相電壓3 000 V、相角240°；C 相電壓3 000 V、相角120°。檢查蕭亭5452線TV各次級(jí)電壓輸出，如表1所示；檢查蕭亭線保護(hù)的電壓幅值、電流幅值、相角和差流，如表2 所示；檢查500 kVⅡ母保護(hù)的電流幅值、相角和差流，如表3所示。

表1 蕭亭5452線TV各次級(jí)電壓記錄

表2 蕭亭5452線保護(hù)電壓電流記錄

如表3 中所示，5013 電流和5033 電流幅值相近，相角基本相反，裝置差流近似為零，從而驗(yàn)證了TA、TV的變比和極性。

表3 500 kVⅡ母保護(hù)電流記錄

4.2 220 kV保護(hù)二次回路驗(yàn)證

某500 kV變電站220 kV側(cè)通流通壓部分一次接線如圖11 所示：其中間隔1（線路）TA 變比為3 200/1，1 號(hào)母聯(lián)TA 變比為4 000/1，間隔2（主變220 kV 側(cè)）TA 變比為4 000/1，TV 變比為。

圖11 某500 kV變電站220 kV側(cè)通流通壓部分接線圖

通流方式：合上間隔1斷路器線路側(cè)地刀，電流從間隔1斷路器線路側(cè)地刀流入，經(jīng)間隔1斷路器、間隔1 正母隔離開關(guān)、1 號(hào)母聯(lián)間隔斷路器、間隔2副母隔離開關(guān)、間隔2斷路器，最終于間隔2斷路器母線側(cè)地刀流出。

通壓方式：將間隔1三相TV一次側(cè)斷引，接上三相一次試驗(yàn)裝置通壓、通流輸出線。

試驗(yàn)裝置輸出：A 相電流60 A、相角0°；B相電流80 A、相角240°；C 相電流100 A、相角120°；A相電壓2 200 V、相角0°；B相電壓2 200 V、相角240°；C 相電壓2 200 V、相角120°；檢查間隔1TV 各次級(jí)電壓輸出，如表4 所示；檢查220 kV母線保護(hù)的電流幅值、角度和差流，如表5所示；檢查間隔1保護(hù)的電壓電流幅值、相角，如表6所示。

表4 間隔1TV各次級(jí)電壓記錄

母聯(lián)TA 極性同Ⅰ母支路TA 極性，從表5 和表6 中可以看出，間隔1 和間隔2 折算后電流幅值相近，相角基本相反，母線大差差流近似為零；間隔1和1號(hào)母聯(lián)折算后電流幅值相近，相角基本相反，Ⅰ母小差差流近似為零；間隔2和1號(hào)母聯(lián)折算后電流幅值相近，相角基本相同，母線保護(hù)內(nèi)母聯(lián)電流參與Ⅱ母差流計(jì)算時(shí)，需取反，Ⅱ母小差差流近似為零；從而驗(yàn)證了TA的變比和極性的正確性。

表5 220 kV母線保護(hù)電流記錄

表6 間隔1保護(hù)電壓電流記錄

5 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有變電站投運(yùn)前一次通流通壓試驗(yàn)方法的局限性，本文提出了基于大電流高電壓解耦同步輸出的帶負(fù)荷試驗(yàn)方法，研發(fā)了輕量化的三相一次通流通壓成套試驗(yàn)裝置，能獨(dú)立且同步輸出最大3 kV 相電壓、300 A 相電流，幅值、相角可通過終端遠(yuǎn)程控制。成套裝置及試驗(yàn)方法已廣泛應(yīng)用于全省多個(gè)500 kV、220 kV 變電站。使用

情況表明，該試驗(yàn)裝置使用簡單、搭設(shè)方便、數(shù)據(jù)可靠，大大提高了變電站投運(yùn)前檢查工作的效率及檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。