空載輕載新設備啟動送電繼電保護向量測試的思考

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(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830002；2.國網(wǎng)新疆電力公司電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830002； 3.華北電力大學，河北 保定 071003；4.國網(wǎng)新疆電力公司檢修公司，新疆 阜康 831500)

0 前 言

繼電保護帶負荷測向量對于新設備送電至關重要，其主要是利用工作電壓、負荷電流檢查電流二次回路的正確性，結(jié)合一次設備負荷情況進行矢量分析，判斷設備運行情況是否良好,核相的目的是通過二次電壓回路的大小和相位的測量，判斷二次電壓回路是否正確，變比及極性使用是否正確。

空載及輕載線路的繼電保護向量測試一直是工程實際中的難題。隨著越來越多的新設備啟動，調(diào)度運行人員在啟動送電過程中往往為保證電網(wǎng)安全，騰空母線造成負荷太小，無法滿足繼電保護帶負荷測向量的要求而影響保護測試，從而影響新設備送電，進而影響新設備相關配套工程的建設，特別是對于電網(wǎng)中新建的許多電廠，此種問題更加突出。大量電廠正在或即將建設,但在電廠輔機調(diào)試期間及發(fā)電機啟動投運初期,由于高壓啟備線路所帶廠內(nèi)負荷太小,短期內(nèi)無法滿足進行帶負荷測向量的要求。尤其是對于大機組的發(fā)電廠,由于短路容量大,一般電流互感器的變比很大,為達到二次電流向量測試的需要,所需負荷將更大,有可能造成所有輔機全部投入仍然達不到二次電流向量測試需要的負荷。在此種情況下,若將高壓啟備線路投入運行,則無法保證系統(tǒng)母差保護和線路保護向量的正確性,將嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行;而如果不將高壓啟備線路投入運行,則電廠的輔機調(diào)試將無法開展,又會極大影響電廠的建設。

因此,解決空載及輕載線路的繼電保護向量測試問題可以突破新設備啟動中的難題，減少新設備啟動測試時間，尤其是對于電廠建設,不僅具有巨大的經(jīng)濟效益,而且密切關系到整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,意義十分重大。

1 繼電保護測向量的作用和測試內(nèi)容

繼電保護帶負荷測試對繼電保護的安全運行起著至關重要的作用，無論是對母差保護、線路或變壓器差動保護，均要進行帶負荷測向量。新投設備帶有母差保護或帶方向的保護，電流互感器更換或返廠檢修后，更換線路保護，總之只要是涉及TA更換、保護裝置更換或電流回路改動都需要帶負荷測向量。

帶負荷測試前，要深入了解保護原理、實現(xiàn)方式和定值意義，熟悉現(xiàn)場接線；帶負荷測試中，要按照帶負荷測試內(nèi)容，認真、仔細、全面收集數(shù)據(jù)；帶負荷測試后，要對照分析方法，逐一檢查、逐一判斷。

帶負荷測試數(shù)據(jù)檢查：測試得到的數(shù)據(jù)對正確分析、判斷設備情況起到了決定性的作用，因此，檢查是必不可少的。檢查步驟如下(以變壓器為例)。

①檢查電流相序。在正確接線條件下，各側(cè)電流都是正序。

②檢查電流對稱性，每側(cè)A相、B相、C相電流幅值基本相等，相位互差120°，且A、B、C三相電流依次超前120°。

③檢查各側(cè)電流幅值，核實TA變比，將變壓器各側(cè)一次電流除以二次電流，得到實際TA變比，該變比應和整定變比基本一致。

④檢查差流(或差壓)大小及整定值正確性。對勵磁電流和改變分接頭引起差流，變壓器差動保護一般不進行補償，而采用帶動作門檻和制動特性來克服，測差流(或差壓)不會等于零。

而實際上目前的相量檢查試驗如下。

①確定一次系統(tǒng)的負荷情況：電流大小、功率性質(zhì)、功率流向；

②測量二次電流，確定TA變比正確；

③根據(jù)設定基準電壓(推薦用A相)，測量各相電流與電壓間的夾角，確定電流相序以及計算P、Q，與一次系統(tǒng)對照；

④對于差動保護，還要測量差流或差壓。

2 繼電保護帶負荷測向量的原理

帶負荷測向量的方法以電流互感器二次回路極性由母線指向電力設備為例進行說明。首先記錄被測試電流互感器所流過的負荷電流及有功、無功的大小和方向(后臺一次值)。然后用鉗型電流表測試電流二次回路三項及中性線的電流大小和各項電流與系統(tǒng)電壓的角度，根據(jù)所測得數(shù)據(jù)進行分析判斷，具體如下。

(1)在測量各測電流相位之前，電流幅值應該大于誤差的一半，就是保證線路帶有一定的負荷，達到儀器的精確度，并且保證在測量過程中運行工況穩(wěn)定。各繞組的電流幅值不能過小，否則分析結(jié)果將會出現(xiàn)錯誤。電流互感器所流過的負荷電流與所測的各項電流幅值的比值應與電流互感器的變比一致，中性線電流幅值很小，但不為零。

(2)保證在測量過程中有統(tǒng)一的基準點，選擇參考相電壓時，注意電壓和電流的同極性關系，在諧波比較大的變電所采用線電壓作為參考電壓有助于減小誤差；正確的使用儀器，注意電流的流入流出方向。

(3)三相電流幅值基本相等，相位角互差120°(電鐵等特殊負荷外)，呈正序分布。在測量過程中，由于電流互感器自身存在角度誤差，測試過程中的負荷波動，所測的相位及幅值都會存在誤差，一般角度誤差在10°以內(nèi)。

(4)基準電壓超前同名相電流的角度與有無功的送受情況相一致。在繪制相位圖時，參考相位方向在時鐘零點位置，其他各相參照參考項角度順時針為正繪制，所得的角度為電流滯后電壓的角度。

圖1 功角坐標圖

功角坐標如圖1。

①第一象限P>0,Q>0,測試點“送出有功，送出無功”；

②第二象限P>0,Q<0,測試點“接受有功，送出無功”；

③第三象限P<0,Q<0,測試點“接受有功，接受無功”；

④第四象限P<0,Q>0,測試點“送出有功，接受無功”。

3 繼電保護帶負荷測向量的方法

當前解決空載及輕載線路繼電保護向量測試問題的傳統(tǒng)方法有兩大類:一類可稱之為直接法,即想方設法提高線路的負荷,使之達到繼電保護向量測試所需要的大小;另一類可稱為間接法,即暫時不測量空載及輕載線路的繼電保護向量，而是改變系統(tǒng)的一、二次運行方式，使之適應母差及線路保護向量未測試而無法正常投入運行的情況。

3.1 直接法及其分析

直接法的具體實施方法與工程實際的條件有密切的關系，總的來說有以下幾種。

方案1：若新設備送電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有雙回線，則考慮通過雙回線環(huán)帶負荷，使之達到繼電保護向量測量的要求。

圖2 方案1示意圖

方案2：發(fā)電廠在啟備變壓器低壓側(cè)帶臨時負荷，使之達到繼電保護向量測量的要求。

圖3 方案2示意圖

方案3：用未測向量的斷路器臨時帶已運行的相鄰間隔線路，改變運行方式，使之達到繼電保護向量測試的要求。

圖4 方案3示意圖

方案4：利用無功補償設備損耗增加負荷進行測向量。

3.2 間接法及其分析

間接法一般有以下幾種。

方案1：在電廠輔機調(diào)試期間暫時不測量保護向量，對側(cè)變電站通過母聯(lián)或分段開關串接在線路前，由母線或分段開關的獨立母聯(lián)過流保護來保護啟備線路，直至發(fā)電機啟動送電可以測量保護向量，

方案2：在電廠輔機調(diào)試期間暫時不測量保護向量，對側(cè)變電站通過旁路開關帶啟備線運行，由旁路開關保護來保護啟備線，直至發(fā)電機啟動送電可以測量保護向量。

4 新方法原理與分析及實施中的注意事項

4.1方案1

4.1.1 新方法原理

在變電站中，由于已運行的同一電壓等級的開關電流互感器極性是正確的，所以可以用已運行的開關電流互感器作為基準，將其一次側(cè)按正極性通過低壓電纜串接待測保護向量啟備線開關電流互感器，在電流互感器一次側(cè)用大電流變比試驗儀加電流通過，以模擬負荷電流，利用外加電源通過電流互感器傳變壓器，檢查啟備線開關電流互感器二次電流回路電流復制大小和相位關系的正確性，從而來判斷保護電流二次回路接線是否正確。

4.1.2 新方法的分析

圖5 新方案1原理示意圖

新方法是利用在互感器一次側(cè)用大電流變比試驗儀加電流以模擬負荷電流，從而達到繼電保護向量測試的要求，負荷電流與實際的負荷電流指示在電壓等級上有所不同，其一次電流的通路是完全相同的，因而對于電流的繼電保護向量測試來說，兩者本質(zhì)是相同的，其測試結(jié)果完全可以信賴，而從新方法的具體實施方案可以看出，新方法的實施是較為簡單的，無需對一次方式做大的調(diào)整，實施過程中對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行也無影響，方案應用于工程實際不僅具有巨大的經(jīng)濟效益，而且可以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4.1.3 新方法具體實施中的注意事項

(1)防止感應過電壓

由于模擬一次負荷電流需要在開關場地接線，系統(tǒng)母線上產(chǎn)生的感應電壓，將可能對人身、設備、儀器產(chǎn)生危害，同時，較高的感應過電壓有可能通過低壓電纜引入所用低電壓系統(tǒng)，將致使設備絕緣擊穿或者人身觸電事故，因此，必須采取切實有效的防止感應過電壓的措施。

防止感應過電壓的措施，在試驗接線前，應將作為擊穿的開關及啟備線開關均轉(zhuǎn)為檢修，然后才可以接線，在試驗接線結(jié)束后，應只保留一個接地點，這樣既可以防止一次電流回路在高壓磁場中形成感應過電壓，對人身和設備構(gòu)成威脅，又可以避免試驗時模擬的負荷電流經(jīng)過多個接地點分流。

(2) 模擬負荷電流對試驗條件的要求

試驗所需的儀器有：大電流變比試驗儀1臺(輸入電壓，AC 220 V，25 A，50 Hz；輸出電流，AC 1 000 A/5V或500 A/10 V；),SY 3 000智能三相電力參數(shù)測試儀器1塊，數(shù)字式萬用表1塊，大量程交流電流表1塊。

對試驗條件的幾點要求：大電流變比試驗儀的容量應滿足要求，在可能的情況下應盡量大一點，連接電流互感器一次側(cè)的電纜截面應盡量大一些，以減輕大電流變比試驗儀的負荷，測量二次電流向量的相位表應采用高精度的相位表，尤其是最小靈敏電流應盡量小，以保證測量結(jié)果的可靠性。

4.2 方案二

4.2.1 新方法原理

在變電站電流互感器的戶外端子箱處臨時將要測試的二次繞組與備用繞組并聯(lián)，此時該電流互感器的兩個二次繞組如果極性相同則流過的電流將增

大一倍，使之達到繼電保護裝置向量測試所需要的電流大小，從而來驗證保護裝置電流二次回路極性是否正確。

圖6 新方案2原理示意圖

4.2.2 新方法的分析

新方法是利用電流互感器的兩個二次繞組并聯(lián)增大電流來實現(xiàn)的，其測試結(jié)果完全可以信賴，且實施起來比較容易，同時也無需對一次方式進行調(diào)整，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行沒有影響。

4.2.3 新方法具體實施中的注意事項

新方法可能會由于施工工藝不良、接線不緊固造成電流二次回路開路，此時將會在電流互感器二次側(cè)感應出高電壓，威脅人身安全和儀表、保護裝置運行，甚至會造成電流互感器磁路飽和、鐵心發(fā)熱燒毀互感器。另外，該方法需要用到電流互感器的備用二次繞組，目前國內(nèi)互感器廠家生產(chǎn)的電流互感器部分只有6個二次繞組，除去計量與測量外用于保護的二次繞組只有4個，由于220 kV系統(tǒng)保護均按雙重化原則配置，對于常規(guī)變電站很多時候電流互感器用于保護的二次繞組沒有備用，這就給該方法的實施帶來困難。

5 各種方法的比較

各種方法的比較見表1。

表1 兩種方法的比較

6 結(jié) 論

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，新設備投運也越來越多，尤其是大量電廠正在或即將建設，電廠在建設期間需要啟備線送電對各種廠用機械進行調(diào)試，但是由于負荷過小，無法滿足進行帶負荷測向量的要求，造成保護無法正常投入，影響設備送電，這種矛盾隨著電廠的快速建設及電網(wǎng)的快速發(fā)展越來越突出。當前采用的方法都有一定的優(yōu)缺點，但基本上缺點多于優(yōu)點，施工難度大，受制因素多，普遍性差，難于推廣。因此，所提出的針對空載及輕載線路向量測試新方法有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，接線簡單，操作方便，易于測試，同時具有普遍性，對于類似的空載線路及輕載線路的繼電保護向量測試均可采用。

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