特殊工況下六角圖試驗難題及解決方案研究

張 旭 ，李鐵夫 ，孔凡雪 ，李遠(yuǎn)東 ，孔凡春

（1.國網(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

六角圖試驗作為一種簡單可行的檢驗方法，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的繼電保護(hù)及安全自動裝置投運前必須完成的試驗項目［1］。 DL／T 1040—2007《電網(wǎng)運行準(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，確認(rèn)互感器極性、變比及其回路等正確性后，方可正式投入運行［2］。DL／T 995—2006《繼電保護(hù)和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程》也明確規(guī)定，對于新安裝的或回路有較大變動的繼電保護(hù)及安全自動裝置，在投運前必須用一次電流及工作電壓進(jìn)行檢驗，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極性關(guān)系和變比等是否正確［3］。若因接線錯誤等原因造成上述正確性無法保證，繼電保護(hù)及安全自動裝置投運后就會發(fā)生誤動或拒動，給電力系統(tǒng)安全運行造成影響。

圖1 六角圖試驗工作原理

六角圖試驗原理如圖1所示，利用三相相位儀等儀器測量出被試設(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個被測量的相互關(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量0.20 A及以下電流，對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，就無法對互感器極性、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，往往需要專門安排倒閘操作調(diào)整電網(wǎng)運行方式，造成等待時間長、消耗電能等問題。另外，對于電鐵牽引站的專供線路，短時集中負(fù)荷特性明顯［4］，即：只有在電氣化列車通過時才會出現(xiàn)較大的負(fù)荷電流，但持續(xù)時間可能僅有幾分鐘，給六角圖試驗工作帶來較大難度，試驗人員不得不跟高鐵“賽速度”，有時為完成測試等待數(shù)小時時間，甚至往返多次。上述特殊運況下的六角圖試驗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地、相對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)行精確測量，就可以在熱備用線路空載狀態(tài)下完成六角圖試驗，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)計手冊，架空線路單項對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為線路長度，km；對于無架空地線的系數(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，全長為28.05 km，根據(jù)式 （1）計算出單相對地空載微電流為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)用高精度毫安表對多條熱備用線路的空載微電流進(jìn)行實測，現(xiàn)場實測值均與理論值完全一致，其大小均在0.03 A以上。由此可見，若能對0.03~0.25 A的微電流進(jìn)行精確測量，就可以解決大變比設(shè)備和電鐵線路等特殊運況下的六角圖試驗難題。基于“對熱備用線路空載容性微電流精確測量，取代實際用電負(fù)荷完成六角圖試驗”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，市場上已有一些分辨率可滿足線路空載微電流測量需要的高精度相位儀，主要通過I／U轉(zhuǎn)換、多級放大等電子電路對被測電流信號進(jìn)行采集、放大和測量，準(zhǔn)確度在0.5級以上，測量最小范圍可達(dá)pA級。但此類產(chǎn)品價格比較昂貴，且通常多用于電子領(lǐng)域，對于變電站內(nèi)強工頻干擾、高噪聲的應(yīng)用場合難以適用。如何濾除工頻干擾、噪聲、電路失調(diào)等雜質(zhì)信號成為亟待突破的瓶頸。

方案2，采用微電流測量專用電流鉗+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被測電流信號進(jìn)行采集。若改變鉗頭硅鋼片的厚度，就能對感應(yīng)繞組的匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而利用電流鉗對微電流進(jìn)行一級放大，再作為常規(guī)相位儀的電流輸入，滿足線路空載微電流測量需求。此方案對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)電動勢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，即繞制一個多匝絕緣線圈串接在被測電流回路中，將常規(guī)電流鉗卡夾在這個外接線圈上，實現(xiàn)對微電流的多倍放大（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量。該方案原理簡單，無需外接電源，特別是在變電站強電磁干擾環(huán)境中，具有較高的實用性和可靠性，但應(yīng)充分考慮接口過壓保護(hù)功能設(shè)計，避免電流二次回路開路帶來安全隱患。

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)行微電流測試。

10倍放大模型測量結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，對0.03 A以上的微電流采集放大后，配合使用常規(guī)相位儀測量誤差保持在5%以內(nèi)，并能成功測量出電流的相位，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試

表1 10倍放大模型測試數(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

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)；接口過壓保護(hù)元件實現(xiàn)接口過壓告警指示和保護(hù)雙重功能，防止電流二次回路開路產(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，實現(xiàn)小型化和便攜式設(shè)計。

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

電流采集放大線圈就是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，通過增加電流鉗卡夾線圈的匝數(shù)，實現(xiàn)對被測微電流的多倍放大。如圖6所示，截取45 mm長的耐高溫PVC管加工線圈骨架，沿管徑方向開20 mm長槽，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，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個抽頭（黑線為線圈公共端），實現(xiàn)5倍、10倍、20倍放大。僅為電流鉗提供一個公共卡夾窗，操作更加簡便可靠。

圖6 電流采集放大線圈

2.2 放大檔位切換壓板設(shè)計

如圖7所示，選用拔插式壓板實現(xiàn)電流放大倍數(shù)檔位的自由切換，操作簡便迅速，接觸電阻小于50 μΩ。接觸點采用線簧孔，無金屬裸露部分，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路等問題。

圖7 放大檔位切換壓板

圖8 接口過壓保護(hù)元件

2.3 接口過壓保護(hù)元件設(shè)計

對于運行中的電流互感器，二次回路一旦發(fā)生開路，就會在二次側(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路風(fēng)險，新型微電流采集放大裝置設(shè)計安裝了接口過壓二級保護(hù)元件。NHO-40型輝光氖氣放電燈用于實現(xiàn)接口過壓告警指示功能，當(dāng)接口電壓達(dá)到40 V時立即點亮，對使用者起到提醒作用；當(dāng)接口電壓高于52 V時可靠截止，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壓后備保護(hù)功能，當(dāng)接口電壓達(dá)到100 V時發(fā)生永久性擊穿短路，從而在輝光氖氣放電燈無法正常工作時起到后備保護(hù)作用［10］。

表2 新型微電流采集放大裝置測試數(shù)據(jù)

2.4 標(biāo)準(zhǔn)電流端子排可插入式接線柱設(shè)計

設(shè)計加工可直接插入標(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，無需外接試驗線，提高現(xiàn)場工作效率如圖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測試

2.5 裝置整體組裝及試驗測試

如圖10所示，各組成元件加工制作完畢后，對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)測試儀完成精度測試。保持K6030型繼電保護(hù)測試儀輸出57.7 V交流電壓、電流相位超前電壓90°不變，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)上述測量數(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0.038~0.250 A的微電流精確測量要求。

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、精確測量，從而取代實際用電負(fù)荷，高效順利完成六角圖試驗工作。該裝置原理簡單、安全可靠、實用性強，已在多個220 kV變電站工程竣工送電中實際應(yīng)用，后經(jīng)繼電保護(hù)及安全自動裝置投運后帶負(fù)荷復(fù)測，各項參數(shù)測試結(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)備投運送電等待時間，節(jié)約了人力物力支出，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 結(jié)語

針對大變比設(shè)備、電鐵供電線路等特殊運況測試難題，提出并實現(xiàn)了基于對熱備用線路空載容性微電流精確測量，取代實際用電負(fù)荷完成六角圖試驗的解決方案，研制出一款簡單實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，主要創(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，對熱備用線路固有的空載容性微電流進(jìn)行采集并實現(xiàn)無源放大，取代實際用電負(fù)荷完成現(xiàn)場測試，無須帶負(fù)荷操作，讓六角圖試驗更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能、更高效。

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

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

［1］胡勇．六角圖試驗的使用與說明［J］．機電信息，2011（21）：213-214．

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

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

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