高壓直流換流變一次通流試驗方法的研究及應用

李 鵬，袁宇波，黃浩聲，張佳敏，高 磊

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

變電站二次系統規模龐大，保護配置與電流互感器（TA）二次回路比較復雜，在試驗中常發生TA極性接錯等問題，對調試進度和質量造成很大影響。變電站二次系統現場調試中，通常采用回路查線和測量回路電阻的方法校驗TA二次回路的正確性[1]。常規的檢測方法利用測試回路電阻等手段能保證二次回路的連通性等基本要求，但對于電纜接地或有寄生回路產生分流、TA極性不確定等問題無法可靠檢測，可能造成啟動調試工作的被動。

一次通流是檢查二次回路的一個重要環節，其主要目的是為檢驗變電站TA變比和校驗線路差動、母線差動、短引線、主變差動等保護用TA及測量、計量用TA接線的正確性[1，2]。通過一次通流的整組試驗檢驗TA二次回路是很有意義的。高壓直流換流站中，換流變是重要的一次設備，占換流站總投資的很大部分。換流變保護（CTP）主要由差動保護構成，而換流變各側TA變比不盡相同，且有一側為三角形接法。為保證TA二次回路極性、變比、相序的正確性，在換流站啟動試驗前對主變進行一次通流是有必要的[1，3-6]。

1 TA同名端及極性

傳統TA與變壓器結構類似，按變壓器原理工作，一次側和二次側通過同一個磁通鏈路進行能量的傳遞和電流/電壓大小的轉換。TA同名端定義為在同一交變磁通作用下，在任何瞬間各繞組具有相同的電動勢極性（方向）的端子[7，8]。TA繞組極性是其原副邊繞組感應電勢之間的相位關系，極性判別屬于同名端問題。對于一臺TA，原副邊繞組在同一交變磁通的作用下同時產生感應電勢，感應電動勢方向判別基于以下原理：（1）根據楞次定律，繞組中的電動勢力圖產生一個與原磁通方向相反的磁通以阻止原磁通的增加；（2）感應電動勢的方向與其力圖產生的磁通方向滿足右手螺旋定則。

同名端具有以下特點：（1）原幅邊繞組同名端通入方向相同的電流時，在鐵心中產生的磁通方向一致；（2）當從一次繞組的極性端通入電流時，二次繞組回路中感應出的電流從極性端流出，以極性端為參考，一、二次電流方向相反，因此也稱為減極性標注。

TA同名端或極性的識別方法一般基于TA工作原理和同名端的定義及特點，利用試驗來檢測，常用的方法有直流法和交流法。

2 換流變套管TA極性測試的直流法

2.1 直流法原理

TA一、二次側各有2個引出端，利用直流法進行極性校驗其實就是校驗一、二次側的相對極性。直流法極性檢測中，先假設TA極性，并將TA一次引出端與干電池相連，其假設的一次側正極性端與電池正極相連；TA二次側接直流指示表 （mA表），將假設的二次側正極性端接直流指示表的正接線柱；通過開關K控制電流的通斷。測試原理接線如圖1所示，其中干電池為6～9 V的電池組，直流指示表為高靈敏度的雙向直流電流表。

圖1 直流法TA極性校驗結構圖

直流法工作原理如下：開關K閉合時，在TA一次產生階躍電壓，TA磁路中產生一個快速上升然后不變的磁通，二次側由此感應出上升后立刻衰減的電流；開關K打開時，互感器磁路中的磁通快速衰減，二次側感應出反向的磁通，從而感應出反向的電流。因此，閉合/打開開關K，通過觀察直流指示表的指針偏轉方向可以判斷TA的極性，如開關K閉合時，若指示表指針偏向正方向，則假設極性正確；若指針偏向負方向，則假設極性相反。

2.2 換流變套管TA極性測試方法

換流變套管TA安裝完成之后，TA的非極性端在變壓器內部，無法按圖1的方式用干電池在TA一次側兩端直接加電壓進行極性測試。由于TA一次側串接在變壓器回路中，可采用在變壓器回路中通入直流電流的方法進行套管TA極性測試。

對于單相雙繞組變壓器，直流一次通流測試套管TA極性的試驗原理即相應等值電路如圖2所示。其中，I側、II側分別指換流變網側和閥側。若換流變II側開路，等值回路阻抗主要由變壓器勵磁阻抗組成，阻抗值很大。由于回路電感很大，在I側加6～9 V的階躍直流電壓，TA一次電流上升很緩慢，TA二次側基本無感應電流輸出，回路中mA表偏轉非常小，難以準確判斷TA極性。若將換流變II側短接，則回路阻抗主要由變壓器I側、II側漏抗組成，阻抗很小，在I側加階躍直流電壓時，回路電流變化很劇烈，TA二次側感應電流較大，mA表偏轉很明顯。因此，試驗時首先需將變壓器II側短接，然后在I側加階躍電壓，并用mA表偏轉來檢測各套管TA的極性。直流法試驗可能使變壓器鐵心產生剩磁，因此試驗后應進行去磁。

圖2 直流法變壓器套管TA測試原理

2.3 換流變直流法一次通流試驗方案

對于雙極12脈動換流站，一般一個極由6臺單相雙繞組變壓器分別連接成YnY及YnD接線的兩臺三相換流變。直流法通流試驗時，對換流變按相分別進行，利用干電池組在換流變網側某相加階躍直流電壓，實際為零序電壓，為使換流變回路暫態零序電流能夠流通，應保證試驗時換流變有零序通路[9]。在換流站直流相關部分投運前或停運檢修期間，換流變及直流場停電，換流變閥側地刀 （位于閥廳內）處于合位。試驗時，打開換流變網側接地刀閘，利用干電池組在換流變網側對地加階躍直流電壓，對于YnD接線換流變，D繞組為零序電流提供了通路；而YnY接線換流變閥側中性點不接地，沒有零序通路，由于勵磁阻抗很大網側暫態零序電流很小且變化緩慢。因此，進行YnY接線換流變試驗時，在其位于閥廳內的中性點處加臨時接地線，同時閥側地刀處于合位，構成了零序通路。試驗接線如圖3所示，零序等值電路與圖2（b）類似。

圖3 直流法試驗方案

3 換流變套管TA極性測試的交流法

3.1 交流法原理

交流法一次通流試驗中，將換流變閥側短接，并視其為純感性負載，在換流變一次回路中加三相對稱的交流電壓，回路接線如圖4（a）所示。采用對稱交流電壓中某一相為參考相量（如以A相電壓作為參考），可驗證換流變TA反映出的極性。當檢測的A相電流滯后A相電壓90°時，TA應為減極性（P1，S1）接入方式，當電流超前電壓 90°時，應為P1，S2接入方式，如圖 4（b）所示；根據三相電流與參考電壓的相對位置可確定二次電流回路的相序，如圖 4（c）所示。

3.2 換流變交流法一次通流試驗方案

圖4 換流變TA極性交流法測試原理

一次通流前的準備工作：合上TA端子箱和屏柜內端子排上所有連片，并檢查整個TA回路有無開路。為確保一次通流安全進行，將TA二次回路斷開一點，用萬用表檢查二次回路的阻值，以保證TA二次回路連通。將保護室所有二次裝置電源正常投入，保護功能壓板投入，保護出口壓板斷開。換流變交流法一次通流和變壓器短路試驗類似。由于系統一次接線已經完成，在換流變停電期間，其閥側地刀（位于閥廳內）處于合位。為了接線方便，試驗選擇在換流變網側引線處加三相交流電源，并打開換流變網側接地刀閘，換流變閥側由于地刀合位而處于短路狀態，現場試驗用三相交流電可直接取自站內380 V檢修電源箱。交流法一次通流時，通流電源為三相正序對稱電源，可通過換流變單相數學模型計算等值參數[9，10]，由于勵磁阻抗數值很大，試驗時不考慮勵磁支路的影響。

3.3 換流變差動保護電流回路檢測

換流變保護主要由差動保護構成，差動電流計算的正確性受TA變比及二次回路接線等影響。交流法一次通流可對整個二次回路進行檢查，通流時應特別檢查差動保護相關電流的大小及極性。換流變差動保護中，電流正方向應與區內故障時電流流向一致。交流法一次通流與換流變的短路試驗類似，屬于換流變差動保護區外故障，流過穿越性電流，以A相為例，其電流方向如圖5所示。其中網側A套管、B套管的TA分別為TA1，TA2，閥側a套管、b套管的TA分別為TA3，TA4，以下相同。

圖5 交流法一次通流時換流變電流方向說明

無論TA極性及其二次回路如何接線，要使差動保護能正確反映區內外故障。通流試驗中，流入保護的電流方向應滿足如表1所示的要求，其中電流方向為“正”表示A相電流（三相正序電流）滯后參考電壓（取電源A相電壓）約90°，電流方向為“負”表示A相電流滯后參考電壓約270°。據此可進行TA二次回路接線正確性的整組測試。

表1 換流變保護中的電流方向

4 應用實例

在政平換流站換流變保護改造的調試工作中，采用本文的直流和交流一次通流方法對換流變保護相關TA二次回路檢驗。換流變套管TA二次出線從換流變就地端子箱引至相應的接口柜 （TCI柜），并從TCI柜輸出給換流變保護柜（CTP柜）。通流試驗前，通過二次回路查線，明確了TCI柜至CTP柜的二次接線，如表2所示。其中，引線差與小差共用TA1同一繞組電流，但回路反接。

表2 TCI柜至保護柜的二次接線方式

4.1 直流法一次通流試驗

試驗前準備工作如下：打開換流變交流側進線接地刀閘；試驗用直流電源（干電池組）經臨時開關用高空接線鉗連接至換流變進線隔刀與主變之間的高壓引線；在閥廳內將YnY接線換流變閥側中性點用臨時接地線連接至閥廳內接地銅排，構成通流試驗接線，如圖6所示為極I換流變A相試驗時的接線圖。

試驗時，在TCI柜中相應端子串接mA表觀察其偏轉，極I換流變A相試驗操作步驟為：（1）打開被測TA二次回路中TCI柜端子排至換流變保護的電纜接線；（2）將mA表串接入該端子，其中TCI輸出給換流變保護的電流端子接mA表正極；（3）開關A相閉合時，觀察開關閉合時mA表的偏轉方向；（4）恢復TCI至換流變保護的二次回路接線；（5）重復上述過程，對極I兩臺換流變A相所有套管TA的極性進行測試。

圖6 極I換流變A相直流法測試接線

對于極I的B相、C相及極II三相，試驗方法及步驟類似。極I換流變A相TA繞組試驗結果如表3所示，B相、C相相同。

表3 極I換流變A相TA試驗結果

4.2 交流法一次通流試驗

試驗前準備工作如下：打開換流變交流側接地刀閘；試驗用380 V電源取自站內380 V檢修電源箱，經空開連接至換流變進線隔刀與主變之間的高壓引線。利用相位表進行電流相量測量，以電源A相電壓作為參考，由于換流變保護屏位于主控室3樓，距離試驗電源較遠且接線不便，同時考慮到TCI柜至換流變保護的二次電纜接線在回路查線時已經明確，故在TCI柜端子處進行電流相量測量，將試驗電源的A相電壓用接線板引入TCI柜，極I換流變交流法一次通流試驗接線圖如圖7所示。

政平站換流變網側套管TA變比為2000/1，YnY換流變電壓及其閥側TA變比分別為500/200.4和3000/1，YnD換流變電壓及其閥側TA變比分別為 500/（1.732×200.4）和 2000/1。通流試驗時，利用鉗形電流表測的380 V交流電源輸出電流有效值約6.7 A。極I換流變一次通流結果如表4所示。其中，測量的電流相量為TCI柜端子輸出給換流變保護的電流，以A相電壓為參考，電流角度為A相電壓超前電流的角度。

圖7 極I換流變交流法一次通流接線

表4 極I換流變一次通流結果 mA

根據表4試驗結果，結合表2中TCI柜與CTP柜間的二次電纜接線，可檢驗二次電流回路接線極性及相序。試驗中，進一步利用相位表在保護屏、故障錄波等處測量各TA的二次回路電流，檢查是否有多點接地或寄生回路產生分流，并檢查保護裝置顯示的模擬量測量值、差流等是否正確。試驗結果表明交流一次通流方案能對換流變二次回路進行整組檢測，有助于確定TA二次回路極性，并驗證TA二次回路的相序、接線及TA變比等的正確性。如果以上項目都符合設計要求，就可斷定換流變TA二次回路接線正確，且回路完整，具備啟動條件。

5 結束語

一次通流試驗可在高壓直流換流站調試過程中有效地檢查二次回路接線的正確性和完整性。本文主要介紹了利用直流法和交流法一次通流進行換流變套管TA二次回路檢查的原理、方法及實現方案。直流法通流能用于檢驗TA極性，其相對靈活簡單，受現場條件限制較小。交流法一次通流試驗受現場條件、工程進度等限制，但能對二次回路的接線、極性、相序、TA變比等進行整組測試。在政平換流站調試工程的應用，證明了該方法的可行性和有效性。

[1]國家電網公司標準，Q_GDW 118—2005直流換流站二次電氣設備交接試驗規程[S].

[2]國家電力調度通信中心.國家電網公司繼電保護培訓教材（下冊）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]鄧潔清，項 巍.500kV主變一次通流試驗模型及方案的研究[J].繼電器，2008，36(7)：92-95

[4]徐靈潔，周 琦，周永佳，等.電流互感器基本誤差現場檢定一次升流方法的研究[J].浙江電力，2010（5）：15-17.

[5]吳建輝，鄭新才，劉艷玲.變壓器套管電流互感器試驗方法探討[J].變壓器，2010，47(6)：42-43.

[6]王昌榮，周惠安，劉清培，等.電流互感器極性、變比、相序正確性試驗方法[J].青海電力，2011（30）：45-48.

[7]袁季修，盛和樂，吳聚業.保護用電流互感器應用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.

[8]王正茂，閻治安，崔新藝，等.電機學[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

[9]李光琦.電力系統暫態分析[M].北京：中國電力出版社，1995.

[10]陳 珩.電力系統穩態分析[M].北京：中國電力出版社，1995.