基于暂态相控大电流的继电保护无负荷相量测量方法

于晓军,刘志远,于小艳

(1.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川750001；2.国网宁夏电力有限公司检修公司,宁夏 银川750011)

0 引 言

在电力系统的建设和运行中，为验证电流互感器二次回路及保护装置电流回路的完整性和继电保护方向正确性，需要进行电流互感器极性试验、一次通流试验和带负荷相量测量工作[1]。通常情况下，在设备调试验收阶段已经分别对互感器二次回路和保护装置的极性进行了验证，但未进行互感器一二次之间、继电保护装置本体及其二次回路整组的方向性验证，继电保护设备方向性元件正确性未完全确定，不能作为可信赖设备正式投运[2]。为确保继电保护装置及其回路的绝对正确性，需要一次设备带电后，用负荷电流和系统电压对继电保护接线的正确性进行验证，在多数情况下，带负荷验证工作由于无负荷电流或负荷电流过小无法开展，给电网运行带来风险[3-4]。

针对以上问题，提出一种基于暂态相控大电流的继电保护无负荷相量测量方法，该方法可实现在设备带电前利用与参考电压相位相关的暂态相控大电流模拟负荷电流对电流二次回路和继电保护方向性进行验证，解决带负荷验证工作由于无负荷电流或负荷电流过小不能开展的问题，同时实现电流互感器极性、电流互感器二次回路注流、带负荷相量测量三项试验在设备正式带电前一次性完成。

1 常规相量测量方法及存在问题

1.1 常规继电保护带负荷相量测量方法

相量测量原理如图1所示，相量测量前需一次设备带电，电压互感器二次侧有电压，电流互感器流过一定大小的负荷电流，以保证相量测量设备可正确测量相位。相量测量过程如下：

图1 继电保护带负荷相量测量原理

待被测线路带电后，且在线路中存在一定负荷之后，利用钳形相位表在保护装置电压电流入口处，采集单相电压(UA/UB/UC)任一相作为参考电压，利用钳形相位表采集保护装置输入A相电流，以电压为基准，对比电流超前或滞后参考电压的角度，以确定电流电压极性是否正确，依次完成B、C相电流的带负荷相量测量工作。

1.2 带负荷相量测量过程存在的问题

1)在实际新设备启动过程中，部分设备在带电后无负荷情况下(如高铁牵引站、新投运的发电厂等纯负荷新投用户或终端电源)带负荷向量测量工作无法开展[5]。

2)多数情况下，在新设备投运时，由于无法组织到满足继电保护方向验证的最小负荷电流[6]，无法及时进行方向验证，造成继电保护方向长期处于不明确状态，给电网运行带来极大运行风险[7]。

3)人为干预运行方式的相量测量方式下，为组织到满足继电保护方向验证的最小负荷电流，需要临时或反复调整电网运行方式[8]，同样会给电网运行带来风险，同时增加了现场倒闸操作工作量及操作风险[9]。

针对常规带负荷相量测量过程中存在的问题，本文考虑用系统电压控制大电流源相位输出，将大电流源注入电流互感器一次侧，真实模拟系统负荷，并进行一次设备带电前的无负荷相量测量。

2 基于二次设备无负荷相量测量方法

2.1 二次设备无负荷相量测量原理

如图2所示，以电压互感器二次电压或继电保护测试仪输出电压作为大电流发生器输出电流相位参考电压，如式(1)所示。

图2 基于暂态相控大电流的二次设备无负荷相量测量原理

I=kU×ejθ

(1)

式中：I—大电流发生器输出暂态电流；

U—参考电压(互感器二次电压或继电保护测试仪输出电压)；

k—综合考虑负载和电力电子控制特性的比例系数；

θ—I超前U的相位，若超前，θ为正；若滞后，θ为负。

同时将参考电压U引入未投运间隔继电保护参考电压输入位置，在大电流暂态输出过程中可在被测保护装置电压电流入口处进行相量测量，并有如式(2)(电流互感器二次电流正极性接入)或式(3)(电流互感器二次电流反极性接入)所示相位关系；同时可进入保护装置内部采样观察电流电压之间相位关系，以确定相量测量是否正确。

I/nTA=k/nTA×U×ejθ

(2)

I/nTA=k/nTA×U×ej(θ+180°)

(3)

式中：nTA—电流互感器变比。

2.2 二次设备无负荷相量测量实现方法

2.2.1 相位可控的暂态大电流发生器

二次设备无负荷相量测量依赖输出电流相位可控的大电流发生器。实现大电流相位输出可控，必须依赖全控型大容量电力电子器件，通过交-直-交变流方式，同时在直流变交流输出时增加参考电压控制逆变输出交流电流相位功能，最终实现大电流相位可控，基本原理如图3所示。

图3 基于暂态相控大电流发生器原理

2.2.2 无线电压采集发射模块

该部分主要完成在具备电压采集条件的地点进行电压采集并进行广播式发射功能，保证暂态相控大电流发生器、录波型向量测量装置、被测保护设备接收参考电压均为同一参考电压。

2.2.3 录波型向量测量分析模块

由于相控暂态大电流为短时(≤100 ms)输出，依靠常规稳态量相量测量方法无法完成测量，因此可基于录波方式测量相量。完成暂态电流与参考电压的录波与向量分析，该模块从保护装置电流输入端采集暂态相控电流，同时实时接收电压采集发射模块发射的无线参考电压(与暂态相控大电流发生器为同一参考电压)，在暂态相控大电流发生器输出暂态大电流时启动录波功能，对暂态电流和参考电压进行录波，暂态相控大电流发生器停止输出后，录波型向量测量设备分析已录暂态电流和参考电压间相位关系并给出向量分析结果。

3 无负荷相量测量方法的应用

基于暂态相控大电流的二次设备无负荷相量测量方法可依据新建场站和扩建间隔有不同测量方法。

3.1 已投运场站间隔扩建时无负荷相量测量方法

以扩建A变电站为例，如图4所示变电站A扩建对203新建扩建间隔进行向量测量。扩建时201、202间隔为已经运行带电间隔，203为新扩建间隔并处于检修(不带电)状态。具体方法如下：

测量参数：参考电压为系统A相电压，电压幅值57.7 V、相位0°，被测电流互感器变比1 500/1，二次电流极性正极性接入方式，一次暂态电流输出幅值设置为300 A。相位超前参考电压相位30°条件下，理论计算输入保护装置电流二次值为0.2 A，相位超前参考电压相位30°。

在I母线电压互感器二次端子箱处，将“参考电压”无线发射装置并接I母线电压互感器二次电压A相，参考电压无线发射模块将输入的A相，57.7 V电压经过模数转换后，通过无线方式发射给暂态相控大电流发生器和录波型向量测量装置(如图4中虚线所示)。将相控暂态大电流发生器暂态电流输出端用大截面积导线接入203新扩建间隔电流互感器一次侧，注意极性端靠近母线侧，并查看无线电压采集输入是否正常，是否为57.7 V。在203间隔保护装置处用录波型向量测量装置电流钳住二次电流A相导线，查看二次电流输入是否正常。查看无线电压接收模块电压接收是否正确，并用二次试验线将输出的模拟量电压接入203线路保护装置，并在保护装置中查看电压是否输入正常。

图4 扩建变电站向量测试方式原理

待上述检查均正常后，触发暂态相控大电流发生器输出暂态相控大电流，并用录波方式进行相量测量，保护装置录波如图5所示，电压电流相量如图7所示。将加在电流互感器两侧的大电流接线互换，模拟接入保护装置输入电流极性人为接反后保护装置相量测量情况，从图6、图7可以看出，保护装置电流采样值随之发生180°翻转。

图5 一次暂态电流正极性输入保护装置波形

图6 一次暂态电流反极性输入保护装置波形

图7 电流正极性和反极性输入保护装置相量

重复上述工作分别进行B、C相向量测量，测量结果正确，方向性保护具备投运条件。

3.2 全站新建时无负荷相量测量方法

以新建B变电站为例，如图8所示新建变电站B对201、202、203新建间隔进行向量测量。新建时全站设备均不带电，所以参考电压无法从已经投运间隔获得，此时为获得参考电压信号，可采用继电保护测试仪输出模拟量电压为参考电压，参考电压无线发射装置采集保护测试仪输出A相电压(A相，57.7 V)。测量参数与3.1中测量参数相同。

图8 新建变电站向量测试方式原理

将继电保护测试仪A相(A相，57.7 V)电压分别接入保护装置和参考电压无线发射模块，参考电压无线发射模块将输入的A相、57.7 V电压经过模数转换后，通过无线方式发射给暂态相控大电流发生器和录波型向量测量装置。将相控暂态大电流发生器暂态大电流输出端用大截面积导线接入201新建间隔电流互感器一次侧，极性端靠近母线侧，并查看无线电压采集输入是否正常，是否为57.7 V。在201间隔保护装置处用录波型向量测量装置电流钳钳住二次电流A相导线，查看无线电压采集输入是否正常，并在保护装置中查看电压是否输入正常。

待上述检查均正常后，触发暂态相控大电流发生器输出暂态相控大电流，并用录波方式进行相量测量，在电流互感器极性及二次回路接入完全正确情况下，在一次暂态电流输出幅值为300 A,相位超前参考相位30°条件下，测得输入保护装置电流二次值为0.2 A，相位超前参考电压相位30°。

在电流互感器或二次回路接入存在错误时，在一次暂态电流输出幅值为300 A、相位超前参考相位30°条件下，测得输入保护装置电流二次值为0.2 A，相位超前参考电压相位210°。

重复上述工作分别进行B、C相向量测量，测量结果正确，方向性保护具备投运条件。

4 结 论

分析了继电保护常规相量测量方法存在的问题，提出了一种基于暂态相控大电流的继电保护无负荷相量测量方法，对场站扩建和新建两种方式的无负荷相量测量方法进行了介绍，并通过了实验验证。实验表明，本文提出的继电保护无负荷相量测量方法具备等效带电调试验证效果，相量测量完毕后可直接投入运行，无需再进行设备启动，对大幅降低电网运行风险、简化启动流程等方面具有重要意义。