特殊工况下六角图试验难题及解决方案研究

2018-01-30李铁夫孔凡雪李远东孔凡春

山东电力技术 2018年1期

张旭，李铁夫，孔凡雪，李远东，孔凡春

（1.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东枣庄 277100；2.山东省特种设备检验研究院枣庄分院，山东枣庄 277100；3.浙江工商大学，浙江杭州 310018；4.国网山东省电力公司曲阜市供电公司，山东曲阜 273100）

0 引言

六角图试验作为一种简单可行的检验方法，能够有效判别互感器极性、变比以及回路的正确性，成为新安装的或回路有较大变动的继电保护及安全自动装置投运前必须完成的试验项目［1］。 DL／T 1040—2007《电网运行准则》规定，继电保护装置只有在用一次负荷电流和工作电压进行试验，确认互感器极性、变比及其回路等正确性后，方可正式投入运行［2］。DL／T 995—2006《继电保护和电网安全自动装置检验规程》也明确规定，对于新安装的或回路有较大变动的继电保护及安全自动装置，在投运前必须用一次电流及工作电压进行检验，判定接入电流、电压的相别、相位关系以及各组电流回路的相对极性关系和变比等是否正确［3］。若因接线错误等原因造成上述正确性无法保证，继电保护及安全自动装置投运后就会发生误动或拒动，给电力系统安全运行造成影响。

图1 六角图试验工作原理

六角图试验原理如图1所示，利用三相相位仪等仪器测量出被试设备同频下的三相电压、三相电流的幅值和相角，然后绘制在二维坐标系内，直观呈现出6个被测量的相互关系，再结合相量分析综合判定相别、相位等的正确性。

由于常用数字式相位仪难以精确测量0.20 A及以下电流，对于互感器变比较大的线路、变压器、母差以及站用变等设备，当所带的负荷较小即二次电流低于0.20 A时，就无法对互感器极性、组别、变比和方向等的正确性进行判定。为确保被测设备带上足够大的负荷电流，以便顺利完成六角图试验，往往需要专门安排倒闸操作调整电网运行方式，造成等待时间长、消耗电能等问题。另外，对于电铁牵引站的专供线路，短时集中负荷特性明显［4］，即：只有在电气化列车通过时才会出现较大的负荷电流，但持续时间可能仅有几分钟，给六角图试验工作带来较大难度，试验人员不得不跟高铁“赛速度”，有时为完成测试等待数小时时间，甚至往返多次。上述特殊运况下的六角图试验难题困扰着电力一线职工，亟待研究解决。

1 方案选定及可行性论证

如图2所示，高压输电架空线路相对地、相对相之间存在固有的电容，因此即便是处于热备用的空载状况，也将自然产生一定大小的容性微电流，即“线路空载容性微电流”，且该电流较线路电压保持超前90°的固定相位差。若能够对此微电流进行精确测量，就可以在热备用线路空载状态下完成六角图试验，避免为获得较大负荷电流进行专门的倒闸操作。

图2 输电线路固有等值电容

查阅线路设计手册，架空线路单项对地空载容性微电流估算公式［5］为：

式中：U为线路的额定电压，kV；L为线路长度，km；对于无架空地线的系数取2.7，有架空地线的系数取3.3。

以某110 kV架空线路为例，全长为28.05 km，根据式（1）计算出单相对地空载微电流为8.33~10.18 A，电流互感器变比为1 200／5，故二次电流理论值为0.034 A以上。变电站内用高精度毫安表对多条热备用线路的空载微电流进行实测，现场实测值均与理论值完全一致，其大小均在0.03 A以上。由此可见，若能对0.03~0.25 A的微电流进行精确测量，就可以解决大变比设备和电铁线路等特殊运况下的六角图试验难题。基于“对热备用线路空载容性微电流精确测量，取代实际用电负荷完成六角图试验”的设想，提出以下3种解决方案。

方案1，采用高分辨率、高精度的相位仪。经调查，市场上已有一些分辨率可满足线路空载微电流测量需要的高精度相位仪，主要通过I／U转换、多级放大等电子电路对被测电流信号进行采集、放大和测量，准确度在0.5级以上，测量最小范围可达pA级。但此类产品价格比较昂贵，且通常多用于电子领域，对于变电站内强工频干扰、高噪声的应用场合难以适用。如何滤除工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号成为亟待突破的瓶颈。

方案2，采用微电流测量专用电流钳+常规相位仪。电流钳作为相位仪的电流输入，由穿心式电流互感器和钳形扳手等组成，可在不断电的情况下对被测电流信号进行采集。若改变钳头硅钢片的厚度，就能对感应绕组的匝数进行调整，从而利用电流钳对微电流进行一级放大，再作为常规相位仪的电流输入，满足线路空载微电流测量需求。此方案对电流钳钳头硅钢片的加工工艺要求苛刻，否则将产生较大的测量误差，因此必须联系生产厂家加工制作专用的电流钳。

方案3，采用新型微电流采集放大装置+常规电流钳+常规相位仪。根据法拉第电磁感应定律［6］可知：电流钳产生的感应电动势E与其卡夹的线圈匝数n成正比。因此，考虑研制新型微电流采集放大装置，即绕制一个多匝绝缘线圈串接在被测电流回路中，将常规电流钳卡夹在这个外接线圈上，实现对微电流的多倍放大（放大倍数取决于钳头所夹的线圈匝数），然后再输入到常规相位仪完成微电流精确测量。该方案原理简单，无需外接电源，特别是在变电站强电磁干扰环境中，具有较高的实用性和可靠性，但应充分考虑接口过压保护功能设计，避免电流二次回路开路带来安全隐患。

综上，初步选定方案3。为进一步论证该方案的可行性，如图3所示，用绝缘漆包线制作出5~20倍放大模型，利用标准电流源输出进行微电流测试。

10倍放大模型测量结果如表1所示。测试结果表明，对0.03 A以上的微电流采集放大后，配合使用常规相位仪测量误差保持在5%以内，并能成功测量出电流的相位，在此基础上进一步完善，可满足变电站特殊的应用环境要求。

图3 新型微电流采集放大装置模型测试

表1 10倍放大模型测试数据

图4 新型微电流采集放大装置总体技术方案

2 新型微电流采集放大装置设计

新型微电流采集放大装置总体技术方案如图4所示。该装置主要由电流采集放大线圈、放大档位切换压板和接口过压保护元件等组成。其中，电流采集放大线圈直接串接在被测电流回路中，将相位仪电流钳卡夹在该外接N匝线圈上，采集的电流就被放大了N倍；放大档位切换压板用于调整电流钳卡夹线圈的匝数，切换电流放大倍数；接口过压保护元件实现接口过压告警指示和保护双重功能，防止电流二次回路开路产生高压危害人身和设备安全。

新型微电流采集放大装置加工组装如图5所示。选用DSP2-4A型继电器绝缘外壳，内部集成各种元件，实现小型化和便携式设计。

图5 新型微电流采集放大装置

2.1 电流采集放大线圈设计

电流采集放大线圈就是利用法拉第电磁感应定律，通过增加电流钳卡夹线圈的匝数，实现对被测微电流的多倍放大。如图6所示，截取45 mm长的耐高温PVC管加工线圈骨架，沿管径方向开20 mm长槽，保证电流钳能够顺利卡夹，另外在其两端加工半径为5 mm的弧形槽，用于缠绕线圈。多匝线圈采用中间带抽头式设计，将绝缘漆包线缠绕在骨架上，分别在第5圈、10圈、20圈引出黄、绿、红3个抽头（黑线为线圈公共端），实现5倍、10倍、20倍放大。仅为电流钳提供一个公共卡夹窗，操作更加简便可靠。

图6 电流采集放大线圈

2.2 放大档位切换压板设计

如图7所示，选用拔插式压板实现电流放大倍数档位的自由切换，操作简便迅速，接触电阻小于50 μΩ。接触点采用线簧孔，无金属裸露部分，不易发生误碰。通断状态易于观察，防止操作失误导致的电流二次回路开路等问题。

图7 放大档位切换压板

图8 接口过压保护元件

2.3 接口过压保护元件设计

对于运行中的电流互感器，二次回路一旦发生开路，就会在二次侧瞬间感应出高电压［7-9］，给设备和人员的安全带来威胁。如图8所示，为有效防止因使用人员操作失误造成电流二次回路开路风险，新型微电流采集放大装置设计安装了接口过压二级保护元件。NHO-40型辉光氖气放电灯用于实现接口过压告警指示功能，当接口电压达到40 V时立即点亮，对使用者起到提醒作用；当接口电压高于52 V时可靠截止，保证接口电压不再升高，确保设备和人员安全。TO-85型半导体放电管用于接口过压后备保护功能，当接口电压达到100 V时发生永久性击穿短路，从而在辉光氖气放电灯无法正常工作时起到后备保护作用［10］。

表2 新型微电流采集放大装置测试数据

2.4 标准电流端子排可插入式接线柱设计

设计加工可直接插入标准电流端子排的接线柱，新型微电流采集放大装置直接插入电流端子就完成了串接工作，做到即插即用，无需外接试验线，提高现场工作效率如图9所示。若待接入的电流端子排非标准规格，可在电流端子与装置接线柱之间串接短试验线，以确保良好连接。

图9 标准电流端子排可插入式接线柱

图10 新型微电流采集放大装置整体组装及试验测试

2.5 装置整体组装及试验测试

如图10所示，各组成元件加工制作完毕后，对新型微电流采集放大装置进行整体组装，并利用K6030型继电保护测试仪完成精度测试。保持K6030型继电保护测试仪输出57.7 V交流电压、电流相位超前电压90°不变，试验数据如表2所示。

根据上述测量数据，分别绘制出电流误差和角度误差曲线，如图11所示。配合使用原常规相位仪和电流钳，对于0.025 A以上的电流，电流误差小于5%，角度误差小于4°，能够满足对0.038~0.250 A的微电流精确测量要求。

图11 新型微电流采集放大装置误差曲线

3 新型微电流采集放大装置应用效果

经反复测试改进，成功研制出如图10所示的新型微电流采集放大装置，配合使用常规相位仪和电流钳，能够对热备用线路空载容性微电流进行采集放大、精确测量，从而取代实际用电负荷，高效顺利完成六角图试验工作。该装置原理简单、安全可靠、实用性强，已在多个220 kV变电站工程竣工送电中实际应用，后经继电保护及安全自动装置投运后带负荷复测，各项参数测试结果一致。这一成果的应用避免了倒负荷操作和电量损失，缩短了设备投运送电等待时间，节约了人力物力支出，为企业创造了经济效益和社会效益。