基于暫態(tài)相控大電流的繼電保護(hù)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法

于曉軍,劉志遠(yuǎn),于小艷

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0 引 言

在電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行中，為驗(yàn)證電流互感器二次回路及保護(hù)裝置電流回路的完整性和繼電保護(hù)方向正確性，需要進(jìn)行電流互感器極性試驗(yàn)、一次通流試驗(yàn)和帶負(fù)荷相量測(cè)量工作[1]。通常情況下，在設(shè)備調(diào)試驗(yàn)收階段已經(jīng)分別對(duì)互感器二次回路和保護(hù)裝置的極性進(jìn)行了驗(yàn)證，但未進(jìn)行互感器一二次之間、繼電保護(hù)裝置本體及其二次回路整組的方向性驗(yàn)證，繼電保護(hù)設(shè)備方向性元件正確性未完全確定，不能作為可信賴(lài)設(shè)備正式投運(yùn)[2]。為確保繼電保護(hù)裝置及其回路的絕對(duì)正確性，需要一次設(shè)備帶電后，用負(fù)荷電流和系統(tǒng)電壓對(duì)繼電保護(hù)接線的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，在多數(shù)情況下，帶負(fù)荷驗(yàn)證工作由于無(wú)負(fù)荷電流或負(fù)荷電流過(guò)小無(wú)法開(kāi)展，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種基于暫態(tài)相控大電流的繼電保護(hù)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法，該方法可實(shí)現(xiàn)在設(shè)備帶電前利用與參考電壓相位相關(guān)的暫態(tài)相控大電流模擬負(fù)荷電流對(duì)電流二次回路和繼電保護(hù)方向性進(jìn)行驗(yàn)證，解決帶負(fù)荷驗(yàn)證工作由于無(wú)負(fù)荷電流或負(fù)荷電流過(guò)小不能開(kāi)展的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流互感器極性、電流互感器二次回路注流、帶負(fù)荷相量測(cè)量三項(xiàng)試驗(yàn)在設(shè)備正式帶電前一次性完成。

1 常規(guī)相量測(cè)量方法及存在問(wèn)題

1.1 常規(guī)繼電保護(hù)帶負(fù)荷相量測(cè)量方法

相量測(cè)量原理如圖1所示，相量測(cè)量前需一次設(shè)備帶電，電壓互感器二次側(cè)有電壓，電流互感器流過(guò)一定大小的負(fù)荷電流，以保證相量測(cè)量設(shè)備可正確測(cè)量相位。相量測(cè)量過(guò)程如下：

圖1 繼電保護(hù)帶負(fù)荷相量測(cè)量原理

待被測(cè)線路帶電后，且在線路中存在一定負(fù)荷之后，利用鉗形相位表在保護(hù)裝置電壓電流入口處，采集單相電壓(UA/UB/UC)任一相作為參考電壓，利用鉗形相位表采集保護(hù)裝置輸入A相電流，以電壓為基準(zhǔn)，對(duì)比電流超前或滯后參考電壓的角度，以確定電流電壓極性是否正確，依次完成B、C相電流的帶負(fù)荷相量測(cè)量工作。

1.2 帶負(fù)荷相量測(cè)量過(guò)程存在的問(wèn)題

1)在實(shí)際新設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程中，部分設(shè)備在帶電后無(wú)負(fù)荷情況下(如高鐵牽引站、新投運(yùn)的發(fā)電廠等純負(fù)荷新投用戶或終端電源)帶負(fù)荷向量測(cè)量工作無(wú)法開(kāi)展[5]。

2)多數(shù)情況下，在新設(shè)備投運(yùn)時(shí)，由于無(wú)法組織到滿足繼電保護(hù)方向驗(yàn)證的最小負(fù)荷電流[6]，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行方向驗(yàn)證，造成繼電保護(hù)方向長(zhǎng)期處于不明確狀態(tài)，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)極大運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[7]。

3)人為干預(yù)運(yùn)行方式的相量測(cè)量方式下，為組織到滿足繼電保護(hù)方向驗(yàn)證的最小負(fù)荷電流，需要臨時(shí)或反復(fù)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式[8]，同樣會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加了現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作工作量及操作風(fēng)險(xiǎn)[9]。

針對(duì)常規(guī)帶負(fù)荷相量測(cè)量過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文考慮用系統(tǒng)電壓控制大電流源相位輸出，將大電流源注入電流互感器一次側(cè)，真實(shí)模擬系統(tǒng)負(fù)荷，并進(jìn)行一次設(shè)備帶電前的無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量。

2 基于二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法

2.1 二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量原理

如圖2所示，以電壓互感器二次電壓或繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出電壓作為大電流發(fā)生器輸出電流相位參考電壓，如式(1)所示。

圖2 基于暫態(tài)相控大電流的二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量原理

I=kU×ejθ

(1)

式中：I—大電流發(fā)生器輸出暫態(tài)電流；

U—參考電壓(互感器二次電壓或繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出電壓)；

k—綜合考慮負(fù)載和電力電子控制特性的比例系數(shù)；

θ—I超前U的相位，若超前，θ為正；若滯后，θ為負(fù)。

同時(shí)將參考電壓U引入未投運(yùn)間隔繼電保護(hù)參考電壓輸入位置，在大電流暫態(tài)輸出過(guò)程中可在被測(cè)保護(hù)裝置電壓電流入口處進(jìn)行相量測(cè)量，并有如式(2)(電流互感器二次電流正極性接入)或式(3)(電流互感器二次電流反極性接入)所示相位關(guān)系；同時(shí)可進(jìn)入保護(hù)裝置內(nèi)部采樣觀察電流電壓之間相位關(guān)系，以確定相量測(cè)量是否正確。

I/nTA=k/nTA×U×ejθ

(2)

I/nTA=k/nTA×U×ej(θ+180°)

(3)

式中：nTA—電流互感器變比。

2.2 二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 相位可控的暫態(tài)大電流發(fā)生器

二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量依賴(lài)輸出電流相位可控的大電流發(fā)生器。實(shí)現(xiàn)大電流相位輸出可控，必須依賴(lài)全控型大容量電力電子器件，通過(guò)交-直-交變流方式，同時(shí)在直流變交流輸出時(shí)增加參考電壓控制逆變輸出交流電流相位功能，最終實(shí)現(xiàn)大電流相位可控，基本原理如圖3所示。

圖3 基于暫態(tài)相控大電流發(fā)生器原理

2.2.2 無(wú)線電壓采集發(fā)射模塊

該部分主要完成在具備電壓采集條件的地點(diǎn)進(jìn)行電壓采集并進(jìn)行廣播式發(fā)射功能，保證暫態(tài)相控大電流發(fā)生器、錄波型向量測(cè)量裝置、被測(cè)保護(hù)設(shè)備接收參考電壓均為同一參考電壓。

2.2.3 錄波型向量測(cè)量分析模塊

由于相控暫態(tài)大電流為短時(shí)(≤100 ms)輸出，依靠常規(guī)穩(wěn)態(tài)量相量測(cè)量方法無(wú)法完成測(cè)量，因此可基于錄波方式測(cè)量相量。完成暫態(tài)電流與參考電壓的錄波與向量分析，該模塊從保護(hù)裝置電流輸入端采集暫態(tài)相控電流，同時(shí)實(shí)時(shí)接收電壓采集發(fā)射模塊發(fā)射的無(wú)線參考電壓(與暫態(tài)相控大電流發(fā)生器為同一參考電壓)，在暫態(tài)相控大電流發(fā)生器輸出暫態(tài)大電流時(shí)啟動(dòng)錄波功能，對(duì)暫態(tài)電流和參考電壓進(jìn)行錄波，暫態(tài)相控大電流發(fā)生器停止輸出后，錄波型向量測(cè)量設(shè)備分析已錄暫態(tài)電流和參考電壓間相位關(guān)系并給出向量分析結(jié)果。

3 無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法的應(yīng)用

基于暫態(tài)相控大電流的二次設(shè)備無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法可依據(jù)新建場(chǎng)站和擴(kuò)建間隔有不同測(cè)量方法。

3.1 已投運(yùn)場(chǎng)站間隔擴(kuò)建時(shí)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法

以擴(kuò)建A變電站為例，如圖4所示變電站A擴(kuò)建對(duì)203新建擴(kuò)建間隔進(jìn)行向量測(cè)量。擴(kuò)建時(shí)201、202間隔為已經(jīng)運(yùn)行帶電間隔，203為新擴(kuò)建間隔并處于檢修(不帶電)狀態(tài)。具體方法如下：

測(cè)量參數(shù)：參考電壓為系統(tǒng)A相電壓，電壓幅值57.7 V、相位0°，被測(cè)電流互感器變比1 500/1，二次電流極性正極性接入方式，一次暫態(tài)電流輸出幅值設(shè)置為300 A。相位超前參考電壓相位30°條件下，理論計(jì)算輸入保護(hù)裝置電流二次值為0.2 A，相位超前參考電壓相位30°。

在I母線電壓互感器二次端子箱處，將“參考電壓”無(wú)線發(fā)射裝置并接I母線電壓互感器二次電壓A相，參考電壓無(wú)線發(fā)射模塊將輸入的A相，57.7 V電壓經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)射給暫態(tài)相控大電流發(fā)生器和錄波型向量測(cè)量裝置(如圖4中虛線所示)。將相控暫態(tài)大電流發(fā)生器暫態(tài)電流輸出端用大截面積導(dǎo)線接入203新擴(kuò)建間隔電流互感器一次側(cè)，注意極性端靠近母線側(cè)，并查看無(wú)線電壓采集輸入是否正常，是否為57.7 V。在203間隔保護(hù)裝置處用錄波型向量測(cè)量裝置電流鉗住二次電流A相導(dǎo)線，查看二次電流輸入是否正常。查看無(wú)線電壓接收模塊電壓接收是否正確，并用二次試驗(yàn)線將輸出的模擬量電壓接入203線路保護(hù)裝置，并在保護(hù)裝置中查看電壓是否輸入正常。

圖4 擴(kuò)建變電站向量測(cè)試方式原理

待上述檢查均正常后，觸發(fā)暫態(tài)相控大電流發(fā)生器輸出暫態(tài)相控大電流，并用錄波方式進(jìn)行相量測(cè)量，保護(hù)裝置錄波如圖5所示，電壓電流相量如圖7所示。將加在電流互感器兩側(cè)的大電流接線互換，模擬接入保護(hù)裝置輸入電流極性人為接反后保護(hù)裝置相量測(cè)量情況，從圖6、圖7可以看出，保護(hù)裝置電流采樣值隨之發(fā)生180°翻轉(zhuǎn)。

圖5 一次暫態(tài)電流正極性輸入保護(hù)裝置波形

圖6 一次暫態(tài)電流反極性輸入保護(hù)裝置波形

圖7 電流正極性和反極性輸入保護(hù)裝置相量

重復(fù)上述工作分別進(jìn)行B、C相向量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果正確，方向性保護(hù)具備投運(yùn)條件。

3.2 全站新建時(shí)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法

以新建B變電站為例，如圖8所示新建變電站B對(duì)201、202、203新建間隔進(jìn)行向量測(cè)量。新建時(shí)全站設(shè)備均不帶電，所以參考電壓無(wú)法從已經(jīng)投運(yùn)間隔獲得，此時(shí)為獲得參考電壓信號(hào)，可采用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出模擬量電壓為參考電壓，參考電壓無(wú)線發(fā)射裝置采集保護(hù)測(cè)試儀輸出A相電壓(A相，57.7 V)。測(cè)量參數(shù)與3.1中測(cè)量參數(shù)相同。

圖8 新建變電站向量測(cè)試方式原理

將繼電保護(hù)測(cè)試儀A相(A相，57.7 V)電壓分別接入保護(hù)裝置和參考電壓無(wú)線發(fā)射模塊，參考電壓無(wú)線發(fā)射模塊將輸入的A相、57.7 V電壓經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)射給暫態(tài)相控大電流發(fā)生器和錄波型向量測(cè)量裝置。將相控暫態(tài)大電流發(fā)生器暫態(tài)大電流輸出端用大截面積導(dǎo)線接入201新建間隔電流互感器一次側(cè)，極性端靠近母線側(cè)，并查看無(wú)線電壓采集輸入是否正常，是否為57.7 V。在201間隔保護(hù)裝置處用錄波型向量測(cè)量裝置電流鉗鉗住二次電流A相導(dǎo)線，查看無(wú)線電壓采集輸入是否正常，并在保護(hù)裝置中查看電壓是否輸入正常。

待上述檢查均正常后，觸發(fā)暫態(tài)相控大電流發(fā)生器輸出暫態(tài)相控大電流，并用錄波方式進(jìn)行相量測(cè)量，在電流互感器極性及二次回路接入完全正確情況下，在一次暫態(tài)電流輸出幅值為300 A,相位超前參考相位30°條件下，測(cè)得輸入保護(hù)裝置電流二次值為0.2 A，相位超前參考電壓相位30°。

在電流互感器或二次回路接入存在錯(cuò)誤時(shí)，在一次暫態(tài)電流輸出幅值為300 A、相位超前參考相位30°條件下，測(cè)得輸入保護(hù)裝置電流二次值為0.2 A，相位超前參考電壓相位210°。

重復(fù)上述工作分別進(jìn)行B、C相向量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果正確，方向性保護(hù)具備投運(yùn)條件。

4 結(jié) 論

分析了繼電保護(hù)常規(guī)相量測(cè)量方法存在的問(wèn)題，提出了一種基于暫態(tài)相控大電流的繼電保護(hù)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法，對(duì)場(chǎng)站擴(kuò)建和新建兩種方式的無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法進(jìn)行了介紹，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的繼電保護(hù)無(wú)負(fù)荷相量測(cè)量方法具備等效帶電調(diào)試驗(yàn)證效果，相量測(cè)量完畢后可直接投入運(yùn)行，無(wú)需再進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)，對(duì)大幅降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、簡(jiǎn)化啟動(dòng)流程等方面具有重要意義。