基于電流電壓同步輸出的變電站投運前帶負荷試驗方法

方愉冬，裘愉濤，汪衛東，張云華，王俊康，項 鑫，曹文斌

（1.國網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.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

TA（電流互感器）、TV（電壓互感器）作為電網的重要電氣設備，承擔著將一次大電流、高電壓轉換成二次小電流、低電壓的功能。變電站內TA、TV 感應出的二次電流和二次電壓，主要用于站內保護、測量、計量、故障錄波等裝置，如果TA變比和極性、TV接線發生錯誤，會造成保護誤動或拒動、測量計量數據錯誤等嚴重后果［1-7］。在實際運行中，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間隔保護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對母聯電流回路極性要求不一致等，現場TA極性錯誤的情況時有發生。因此在變電站投運前，必須對全站TA、TV接線與變比進行檢查，并通過帶負荷試驗對所有裝置電流電壓回路接線正確性加以檢驗和判定［8-9］。

目前，國內普遍采用的變電站投運前模擬帶負荷試驗方法主要有三種。一是使用工頻三相大電流發生器對普通TA進行一次通流［10-11］，可驗證TA 變比并間接判斷極性。二是對TA 和TV 分別進行一次通量以驗證TA和TV一次接線及二次回路的正確性［12-13］，該方法未將兩者協同考慮來共同驗證。三是采用由大容量調壓變壓器、中間變壓器、補償電容器、試驗負載等組成的繼電保護向量模擬試驗系統，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 二次回路中產生穩定的、模擬實際負荷的二次模擬量［14］。

對于前兩種試驗方法，一般只能夠對TA、TV 進行單體通流通壓，驗證單體TA 和TV 的變比，無法對全站TA極性進行綜合檢查，存在較大局限性。無論從正確率還是效率上，均難以滿足工程質量和工程進度的要求。TA和TV作為一次系統和二次系統的橋梁，兩者共同表征了一次系統的狀態。一次系統中的電流電壓緊密聯系，只有兩者同步輸出，相應的試驗結果才能真實模擬負荷向量。傳統試驗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視為整體，試驗效果有了很大的提升，但該方法存在試驗儀器體積過大、重量過重、運輸不便、試驗作業面大、費時費力、安全風險高等缺點，較難在現場實際應用中推廣。

本文針對了現有變電站投運前一次通流通壓試驗方法存在的弊端，提出運用大電流、高電壓解耦同步輸出的帶負荷試驗方法，研發了相應的三相一次通流通壓成套試驗裝置。介紹了在不同接線方式、不同電壓等級下的一次通流通壓試驗方案，并在實際工程中得到應用。

1 通流通壓一體裝置試驗方法分析

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

根據相關標準及廠家說明書要求，保護裝置電流、電壓精確工作范圍最小值為0.01In和0.05Un。對于500 kV系統，最小工作電壓為2 885 V；對于220 kV 系統，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 時對應的一次最小工作相電流分別為150 A 和200 A。若采用圖1 所示試驗方案，大容量通流通壓一體裝置需同時輸出大電流和高電壓，假設試驗時輸出相電流幅值為I，輸出相電壓幅值為U。根據上述分析，應滿足I≥200 A，U≥3 000 V，儀器輸出視在功率S=3UI≥1.8 MVA，該容量已經達到500 kV 站用變壓器容量（一般為800 kVA）的2.25倍，需調壓變壓器和升壓變壓器配合使用。因此，該方法所需試驗裝置體積龐大、接線復雜。由于試驗時一次裝置直接通過高電壓和大電流，試驗導線需同時考慮大電流發熱和高電壓絕緣的問題，試驗過程風險較大，試驗工作面較大，需安排的安全監護人數較多。

2 基于電流電壓解耦同步輸出的帶負荷試驗方案

2.1 大電流、高電壓解耦輸出原理

研究圖1所示試驗系統可知，由于實際一次系統中TV和TA一般不是一體化設計，可以將變電站內TV和TA及其二次回路看成是各自獨立的系統。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行輸入。

由于只單純對TA 一次通流、TV 一次通壓，大電流、高電壓發生器所需的工作容量滿足TA、TV勵磁功率、二次回路負載及一次回路損耗功率即可。通流通壓試驗時所加一次模擬量遠小于額定值，因此TA和TV的勵磁損耗很小，可忽略不計。二次回路負載以最高額定負載計，取TA 1個繞組額定負載為15 VA，按5 個繞組計共75 VA，TV 1 個繞組額定負載為50 VA，按4 個繞組計共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，從而達到輕量化的效果。大電流高電壓解耦輸出試驗示意圖如圖2所示，TV 與母線通過隔離開關連接，只需拉開TV隔離開關，即可達到上述目的，試驗狀態改接十分方便。

圖2 大電流高電壓解耦輸出模擬實際負荷試驗示意圖

2.2 大電流、高電壓同步控制

2.1 節所述的大電流、高電壓解耦是指一次電氣回路的互相隔離，但為達到模擬實際負荷相量的效果，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的同步算法，比如通過光纖、2M線等通訊裝置進行互聯。常見于線路光差保護的數據同步、智能站母設合并單元與間隔合并單元的數據同步、智能站保護光纖直采等。

2）被同步裝置間采用共同的基準源進行同步，比如通過時鐘同步系統，常見于測控裝置通過交換機采集合并單元采樣值信號的時鐘同步。

上述兩種同步方法必須配合專用的通信或對時模塊及相應的同步算法完成，需二次開發，裝置成本及研發成本均比較高。本文提出參考站用電交流相電壓過零點進行同步的方法，運用數字電路技術，檢測交流相電壓的過零點，在過零點處分別取得同步脈沖，然后以該同步信號為基準，控制各自的逆變電路輸出大電流或者高電壓。

成套試驗裝置采用通壓裝置和通流裝置分體設計，同步信號可考慮取自各自電源。實際使用時，兩臺裝置間可能在空間上存在一定距離，為方便同時控制兩臺裝置輸出，考慮使用手持式控制器通過無線網絡連接的方式進行控制。該方法簡單方便，僅需增加較少的同步信號采集回路及相應的模數轉換環節，相比增加通信同步或者時鐘同步，具有便捷、易于實現、不易受外界干擾、同步效果好的優點。

2.3 成套試驗裝置的結構原理及優勢

基于上述原理，研發了基于電流電壓解耦同步輸出的投運前帶負荷成套試驗裝置，試驗裝置的結構原理如圖3所示。

圖3 投運前帶負荷成套試驗裝置結構原理圖

模擬帶負荷試驗方法的基本原理為：合理布置被試一次系統裝置連接關系，使得電流通路和電壓通路無相互聯系；在被試一次系統合理的位置分別接入成套試驗裝置，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感應出回采信號，從而通過判別回采信號完成模擬帶負荷試驗。

該成套試驗裝置具有如下優勢：

1）輸出能力強。相電壓最高可達3 kV，電流最高可達300 A，彌補了大功率調壓器最高輸出電壓和輸出電流難以同時達到試驗要求的缺陷。

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計，兩三名試驗人員即可完成試驗儀器的搭設。避免使用大功率調壓器時，占地面積大，移動困難，需要專用車輛、吊機等弊端。

3）便于操作。使用主控面板進行遠程操作，更加安全。面板操作簡單，設置參數后，點擊輸出，自動從零開始增加。當電流電壓達到設定值后自動進入恒流恒壓狀態，維持穩定輸出。電流電壓負載過大時，系統自動進行報警并提示。

3 采用新方法的一次通流通壓試驗方案研究

3.1 電壓回路試驗方案

三相一次通壓試驗時，宜直接將高電壓加在試驗系統的母線上，使得各個間隔TV均帶電，完成試驗系統的同電源核相。若存在試驗引線懸掛點過高、試驗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，并通過其他合理方式完成同電源核相工作。

對于500 kV 系統懸掛點過高，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，對每組TV均需重新搭設試驗儀器、引線進行試驗。另一種方法是待主變本體與三側間隔裝置完成連接后，通過主變的傳變特性直接對三側TV進行一次通壓。例如，對于三側額定電壓為500 kV/220 kV/35 kV的自耦變壓器，可從主變35 kV側母線通入約200 V 電壓，可在500 kV 側感應出約3 000 V電壓進行試驗。

圖4 一次通壓裝置加壓接線示意圖

3.2 電流回路試驗方案

考慮一次通流和一次通壓同時進行。因不同電壓等級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，將試驗裝置通壓輸出端引接至母線TV一次側，拉開1101TV隔離開關、1107母線接地刀閘（以下簡稱“地刀”）；將間隔1 的158427接地隔離開關引流排拆下（圖5中打×處），將試驗裝置通流輸出端接入斷點的地刀側，依次合上158427 地刀、1584 斷路器、15841 隔離開關、15851 隔離開關、1585 斷路器、158527 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗時，模擬一次電壓加至母線TV，模擬負荷從間隔1 注入，通過母線，從間隔2流出，以母線電壓為基準，可同時檢驗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，將試驗裝置通壓輸出端引接至Ⅰ段母線TV一次側，拉開1101TV隔離開關、1107母線地刀；將間隔1的158527地刀引流排拆下（圖6 中打×處），將試驗裝置通流輸出端接入斷點的地刀側，依次合上158527 地刀、1585 斷路器、15851隔離開關、分段Ⅰ母側隔離開關、分段斷路器、分段Ⅱ母側隔離開關、15831隔離開關、1583斷路器、158327 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗時，模擬一次電壓加至母線TV，模擬負荷從間隔1 注入，通過分段，從間隔3 流出，以母線電壓為基準，可同時檢驗TV二次回路以及間隔1、分段、間隔3 三個間隔的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，將試驗裝置通壓輸出端引接至線路TV 一次側，同時將間隔1 的220127 地刀引流排拆下（圖7中打×處），將試驗裝置通流輸出端接入斷點接地側，依次合上220127 地刀、2201斷路器、22011 隔離開關、26111 隔離開關、2611 斷路器、26112隔離開關、22022 隔離開關、2202 斷路器、220227 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗時，模擬一次電壓加至線路TV，模擬負荷從間隔1 注入，通過母線1，經過母聯間隔，最后從間隔2流出，以間隔1電壓為基準，可同時檢驗TV 二次回路以及間隔1、母聯、間隔2 三個間隔的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，將試驗裝置通壓輸出端引接至線路TV 一次側，間隔1 掛于正母Ⅰ段，間隔2 掛于副母Ⅰ段，將間隔1的開關線路側地刀引流排拆下（圖8中打×處），將試驗裝置通流輸出端接入，依次合上間隔1開關線路側地刀、斷路器、正母隔離開關，正母分段斷路器及其兩側隔離開關，2號母聯斷路器及其兩側隔離開關，副母分段斷路器及其兩側隔離開關，間隔2 副母隔離開關、斷路器、斷路器線路側地刀，形成圖7中紅色虛線所示的電流通路。試驗時，模擬一次電壓加至線路TV，模擬負荷從間隔1 注入，通過正母分段、2 號母聯、副母分段，從間隔2流出，以線路電壓為基準，可同時檢驗TV 二次回路以及間隔1、間隔2、正母分段、副母分段、2號母聯的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，將試驗裝置通壓輸出端引接至線路2TV 一次側；將501317 地刀引流排拆下（圖9 中打×處），將試驗裝置通流輸出端接入地斷點接地側，依次合上501317 地刀、5013 斷路器、50132 隔離開關、50232 隔離開關、5023 斷路器、50231 隔離開關、50222 隔離開關、5022 斷路器、502217 地刀，形成圖中紅色虛線所示的電流通路。試驗時，模擬一次電壓加至線路2TV，模擬負荷從線路2注入，經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，可同時檢驗線路2TV 二次回路以及50131TA、5023TA、5022TA 3 個TA 的二次回路。

圖9 3/2接線方式一次通流通壓接線

4 工程應用案例

4.1 500 kV保護二次回路驗證

某500 kV變電站500 kV側一次主接線圖如圖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側主接線圖

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

通壓方式：將蕭亭5452 線TV 一次側斷引，接上三相一次試驗裝置通壓、通流輸出線，試驗裝置輸出：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各次級電壓輸出，如表1所示；檢查蕭亭線保護的電壓幅值、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各次級電壓記錄

表2 蕭亭5452線保護電壓電流記錄

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，從而驗證了TA、TV的變比和極性。

表3 500 kVⅡ母保護電流記錄

4.2 220 kV保護二次回路驗證

某500 kV變電站220 kV側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 號母聯TA 變比為4 000/1，間隔2（主變220 kV 側）TA 變比為4 000/1，TV 變比為。

圖11 某500 kV變電站220 kV側通流通壓部分接線圖

通流方式：合上間隔1斷路器線路側地刀，電流從間隔1斷路器線路側地刀流入，經間隔1斷路器、間隔1 正母隔離開關、1 號母聯間隔斷路器、間隔2副母隔離開關、間隔2斷路器，最終于間隔2斷路器母線側地刀流出。

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

試驗裝置輸出：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 各次級電壓輸出，如表4 所示；檢查220 kV母線保護的電流幅值、角度和差流，如表5所示；檢查間隔1保護的電壓電流幅值、相角，如表6所示。

表4 間隔1TV各次級電壓記錄

母聯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號母聯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號母聯折算后電流幅值相近，相角基本相同，母線保護內母聯電流參與Ⅱ母差流計算時，需取反，Ⅱ母小差差流近似為零；從而驗證了TA的變比和極性的正確性。

表5 220 kV母線保護電流記錄

表6 間隔1保護電壓電流記錄

5 結語

針對現有變電站投運前一次通流通壓試驗方法的局限性，本文提出了基于大電流高電壓解耦同步輸出的帶負荷試驗方法，研發了輕量化的三相一次通流通壓成套試驗裝置，能獨立且同步輸出最大3 kV 相電壓、300 A 相電流，幅值、相角可通過終端遠程控制。成套裝置及試驗方法已廣泛應用于全省多個500 kV、220 kV 變電站。使用

情況表明，該試驗裝置使用簡單、搭設方便、數據可靠，大大提高了變電站投運前檢查工作的效率及檢測數據的準確率。