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方愉冬，裘愉涛，汪卫东，张云华，王俊康，项 鑫，曹文斌
（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；
2.浙江省送变电工程有限公司，杭州 310020；
3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）
TA（电流互感器）、TV（电压互感器）作为电网的重要电气设备，承担着将一次大电流、高电压转换成二次小电流、低电压的功能。变电站内TA、TV 感应出的二次电流和二次电压，主要用于站内保护、测量、计量、故障录波等装置，如果TA变比和极性、TV接线发生错误，会造成保护误动或拒动、测量计量数据错误等严重后果［1-7］。在实际运行中，因电流二次回路接线存在一些特殊要求，如3/2接线方式下需将同一串两个间隔保护的中断路器电流二次回路反极性引出、双母双分段接线方式下不同厂家母差保护对母联电流回路极性要求不一致等，现场TA极性错误的情况时有发生。因此在变电站投运前，必须对全站TA、TV接线与变比进行检查，并通过带负荷试验对所有装置电流电压回路接线正确性加以检验和判定［8-9］。
目前，国内普遍采用的变电站投运前模拟带负荷试验方法主要有三种。一是使用工频三相大电流发生器对普通TA进行一次通流［10-11］，可验证TA 变比并间接判断极性。二是对TA 和TV 分别进行一次通量以验证TA和TV一次接线及二次回路的正确性［12-13］，该方法未将两者协同考虑来共同验证。三是采用由大容量调压变压器、中间变压器、补偿电容器、试验负载等组成的继电保护向量模拟试验系统，通过向一次装置直接输出固定相位的大电流、高电压，从而在TA、TV 二次回路中产生稳定的、模拟实际负荷的二次模拟量［14］。
对于前两种试验方法，一般只能够对TA、TV 进行单体通流通压，验证单体TA 和TV 的变比，无法对全站TA极性进行综合检查，存在较大局限性。无论从正确率还是效率上，均难以满足工程质量和工程进度的要求。TA和TV作为一次系统和二次系统的桥梁，两者共同表征了一次系统的状态。一次系统中的电流电压紧密联系，只有两者同步输出，相应的试验结果才能真实模拟负荷向量。传统试验方法将两者割裂的做法存在明显弊端。第三种方法将一次系统视为整体，试验效果有了很大的提升，但该方法存在试验仪器体积过大、重量过重、运输不便、试验作业面大、费时费力、安全风险高等缺点，较难在现场实际应用中推广。
本文针对了现有变电站投运前一次通流通压试验方法存在的弊端，提出运用大电流、高电压解耦同步输出的带负荷试验方法，研发了相应的三相一次通流通压成套试验装置。介绍了在不同接线方式、不同电压等级下的一次通流通压试验方案，并在实际工程中得到应用。
引言所述的第3种试验方法因其能模拟实际情况，试验效果不错，但存在许多弊端，图1为该试验方法的接线示意图。
根据相关标准及厂家说明书要求，保护装置电流、电压精确工作范围最小值为0.01In和0.05Un。对于500 kV系统，最小工作电压为2 885 V；
对于220 kV 系统，最小工作电压为1 270 V。若TA 二次额定电流In为1A，TA 变比为3000/1和4 000/1 时对应的一次最小工作相电流分别为150 A 和200 A。若采用图1 所示试验方案，大容量通流通压一体装置需同时输出大电流和高电压，假设试验时输出相电流幅值为I，输出相电压幅值为U。根据上述分析，应满足I≥200 A，U≥3 000 V，仪器输出视在功率S=3UI≥1.8 MVA，该容量已经达到500 kV 站用变压器容量（一般为800 kVA）的2.25倍，需调压变压器和升压变压器配合使用。因此，该方法所需试验装置体积庞大、接线复杂。由于试验时一次装置直接通过高电压和大电流，试验导线需同时考虑大电流发热和高电压绝缘的问题，试验过程风险较大，试验工作面较大，需安排的安全监护人数较多。
2.1 大电流、高电压解耦输出原理
研究图1所示试验系统可知，由于实际一次系统中TV和TA一般不是一体化设计，可以将变电站内TV和TA及其二次回路看成是各自独立的系统。因此，将TA一次回路和TV一次回路相互隔离。利用电力电子器件及相应的控制策略将交流380 V电源变换成低电压大电流源和低电流高电压源进行输入。
由于只单纯对TA 一次通流、TV 一次通压，大电流、高电压发生器所需的工作容量满足TA、TV励磁功率、二次回路负载及一次回路损耗功率即可。通流通压试验时所加一次模拟量远小于额定值，因此TA和TV的励磁损耗很小，可忽略不计。二次回路负载以最高额定负载计，取TA 1个绕组额定负载为15 VA，按5 个绕组计共75 VA，TV 1 个绕组额定负载为50 VA，按4 个绕组计共200 VA。考虑一次回路各种损耗，通流和通压装置的功率只需达到约1 000 VA 即可满足要求，仅为第1 章中通流通压一体装置容量的1/1 000。因此，装置容量需求可大幅下降，从而达到轻量化的效果。大电流高电压解耦输出试验示意图如图2所示，TV 与母线通过隔离开关连接，只需拉开TV隔离开关，即可达到上述目的，试验状态改接十分方便。
图2 大电流高电压解耦输出模拟实际负荷试验示意图
2.2 大电流、高电压同步控制
2.1 节所述的大电流、高电压解耦是指一次电气回路的互相隔离，但为达到模拟实际负荷相量的效果，两者还必须能够同步输出。为使通流和通压装置能够同步输出，两者必须建立一定的联系。常用的同步手段有以下两种：
1）被同步装置间存在直连的通信物理通道配合相应的同步算法，比如通过光纤、2M线等通讯装置进行互联。常见于线路光差保护的数据同步、智能站母设合并单元与间隔合并单元的数据同步、智能站保护光纤直采等。
2）被同步装置间采用共同的基准源进行同步，比如通过时钟同步系统，常见于测控装置通过交换机采集合并单元采样值信号的时钟同步。
上述两种同步方法必须配合专用的通信或对时模块及相应的同步算法完成，需二次开发，装置成本及研发成本均比较高。本文提出参考站用电交流相电压过零点进行同步的方法，运用数字电路技术，检测交流相电压的过零点，在过零点处分别取得同步脉冲，然后以该同步信号为基准，控制各自的逆变电路输出大电流或者高电压。
成套试验装置采用通压装置和通流装置分体设计，同步信号可考虑取自各自电源。实际使用时，两台装置间可能在空间上存在一定距离，为方便同时控制两台装置输出，考虑使用手持式控制器通过无线网络连接的方式进行控制。该方法简单方便，仅需增加较少的同步信号采集回路及相应的模数转换环节，相比增加通信同步或者时钟同步，具有便捷、易于实现、不易受外界干扰、同步效果好的优点。
2.3 成套试验装置的结构原理及优势
基于上述原理，研发了基于电流电压解耦同步输出的投运前带负荷成套试验装置，试验装置的结构原理如图3所示。
图3 投运前带负荷成套试验装置结构原理图
模拟带负荷试验方法的基本原理为：合理布置被试一次系统装置连接关系，使得电流通路和电压通路无相互联系；
在被试一次系统合理的位置分别接入成套试验装置，使得大电流和高电压可以正常通过TA和TV等被试元件在二次侧感应出回采信号，从而通过判别回采信号完成模拟带负荷试验。
该成套试验装置具有如下优势：
1）输出能力强。相电压最高可达3 kV，电流最高可达300 A，弥补了大功率调压器最高输出电压和输出电流难以同时达到试验要求的缺陷。
2）装置轻便。单装置重量轻、体积小，仪器收纳箱采用四只万向轮设计，两三名试验人员即可完成试验仪器的搭设。避免使用大功率调压器时，占地面积大，移动困难，需要专用车辆、吊机等弊端。
3）便于操作。使用主控面板进行远程操作，更加安全。面板操作简单，设置参数后，点击输出，自动从零开始增加。当电流电压达到设定值后自动进入恒流恒压状态，维持稳定输出。电流电压负载过大时，系统自动进行报警并提示。
3.1 电压回路试验方案
三相一次通压试验时，宜直接将高电压加在试验系统的母线上，使得各个间隔TV均带电，完成试验系统的同电源核相。若存在试验引线悬挂点过高、试验接线载流量不足的情况，可将高电压加至其他更为合理的悬挂点，并通过其他合理方式完成同电源核相工作。
对于500 kV 系统悬挂点过高，可采用间接方式。一种方法是将高电压加至TV第三层电容的上端头（如图4所示），此方法无法一次性完成全部通压，对每组TV均需重新搭设试验仪器、引线进行试验。另一种方法是待主变本体与三侧间隔装置完成连接后，通过主变的传变特性直接对三侧TV进行一次通压。例如，对于三侧额定电压为500 kV/220 kV/35 kV的自耦变压器，可从主变35 kV侧母线通入约200 V 电压，可在500 kV 侧感应出约3 000 V电压进行试验。
图4 一次通压装置加压接线示意图
3.2 电流回路试验方案
考虑一次通流和一次通压同时进行。因不同电压等级采用不同的主接线形式，一次通流通压方式各不相同，下面介绍几种典型系统接线方式的一次通流通压方案。
1）单母线接线方式一次通流通压接线
如图5所示，将试验装置通压输出端引接至母线TV一次侧，拉开1101TV隔离开关、1107母线接地刀闸（以下简称“地刀”）；
将间隔1 的158427接地隔离开关引流排拆下（图5中打×处），将试验装置通流输出端接入断点的地刀侧，依次合上158427 地刀、1584 断路器、15841 隔离开关、15851 隔离开关、1585 断路器、158527 地刀，形成图中红色虚线所示的电流通路。试验时，模拟一次电压加至母线TV，模拟负荷从间隔1 注入，通过母线，从间隔2流出，以母线电压为基准，可同时检验TV 二次回路以及间隔1、间隔2 的TA二次回路。
图5 单母线接线方式一次通流通压接线
2）单母分段接线方式一次通流通压接线
如图6所示，将试验装置通压输出端引接至Ⅰ段母线TV一次侧，拉开1101TV隔离开关、1107母线地刀；
将间隔1的158527地刀引流排拆下（图6 中打×处），将试验装置通流输出端接入断点的地刀侧，依次合上158527 地刀、1585 断路器、15851隔离开关、分段Ⅰ母侧隔离开关、分段断路器、分段Ⅱ母侧隔离开关、15831隔离开关、1583断路器、158327 地刀，形成图中红色虚线所示的电流通路。试验时，模拟一次电压加至母线TV，模拟负荷从间隔1 注入，通过分段，从间隔3 流出，以母线电压为基准，可同时检验TV二次回路以及间隔1、分段、间隔3 三个间隔的TA 二次回路。
图6 单母分段接线方式一次通流通压接线
3）双母线接线方式一次通流通压接线
如图7所示，将试验装置通压输出端引接至线路TV 一次侧，同时将间隔1 的220127 地刀引流排拆下（图7中打×处），将试验装置通流输出端接入断点接地侧，依次合上220127 地刀、2201断路器、22011 隔离开关、26111 隔离开关、2611 断路器、26112隔离开关、22022 隔离开关、2202 断路器、220227 地刀，形成图中红色虚线所示的电流通路。试验时，模拟一次电压加至线路TV，模拟负荷从间隔1 注入，通过母线1，经过母联间隔，最后从间隔2流出，以间隔1电压为基准，可同时检验TV 二次回路以及间隔1、母联、间隔2 三个间隔的TA二次回路。
图7 双母线接线方式一次通流通压接线
4）双母双分段一次通流通压接线
如图8所示，将试验装置通压输出端引接至线路TV 一次侧，间隔1 挂于正母Ⅰ段，间隔2 挂于副母Ⅰ段，将间隔1的开关线路侧地刀引流排拆下（图8中打×处），将试验装置通流输出端接入，依次合上间隔1开关线路侧地刀、断路器、正母隔离开关，正母分段断路器及其两侧隔离开关，2号母联断路器及其两侧隔离开关，副母分段断路器及其两侧隔离开关，间隔2 副母隔离开关、断路器、断路器线路侧地刀，形成图7中红色虚线所示的电流通路。试验时，模拟一次电压加至线路TV，模拟负荷从间隔1 注入，通过正母分段、2 号母联、副母分段，从间隔2流出，以线路电压为基准，可同时检验TV 二次回路以及间隔1、间隔2、正母分段、副母分段、2号母联的TA二次回路。
图8 双母双分段接线方式一次通流通压接线
5）3/2接线方式一次通流通压接线
以某500 kV 站第一串（线线串，完整串）、第二串（线变串，完整串）为例。如图9所示，将试验装置通压输出端引接至线路2TV 一次侧；
将501317 地刀引流排拆下（图9 中打×处），将试验装置通流输出端接入地断点接地侧，依次合上501317 地刀、5013 断路器、50132 隔离开关、50232 隔离开关、5023 断路器、50231 隔离开关、50222 隔离开关、5022 断路器、502217 地刀，形成图中红色虚线所示的电流通路。试验时，模拟一次电压加至线路2TV，模拟负荷从线路2注入，经5013 断路器、500 kVⅡ母母线、5023 断路器、5022 断路器，从线路3 流出，以线路2 电压为基准，可同时检验线路2TV 二次回路以及50131TA、5023TA、5022TA 3 个TA 的二次回路。
图9 3/2接线方式一次通流通压接线
4.1 500 kV保护二次回路验证
某500 kV变电站500 kV侧一次主接线图如图10 所示，其中TA 变比为4 000/1，TV 变比为。
图10 某500 kV变电站500 kV侧主接线图
通流方式：合上503217 地刀，电流从503217地刀流入，经5032 断路器、50322 隔离开关、50331 隔离开关、5033 断路器、50332 隔离开关、500 kVⅡ母、50132隔离开关、5013断路器、最终于501317地刀流出。
通压方式：将萧亭5452 线TV 一次侧断引，接上三相一次试验装置通压、通流输出线，试验装置输出：A相电流80 A、相角0°；
B相电流100 A、相角240°；
C 相电流120 A、相角120°；
A 相电压3 000 V、相角0°；
B 相电压3 000 V、相角240°；
C 相电压3 000 V、相角120°。检查萧亭5452线TV各次级电压输出，如表1所示；
检查萧亭线保护的电压幅值、电流幅值、相角和差流，如表2 所示；
检查500 kVⅡ母保护的电流幅值、相角和差流，如表3所示。
表1 萧亭5452线TV各次级电压记录
表2 萧亭5452线保护电压电流记录
如表3 中所示，5013 电流和5033 电流幅值相近，相角基本相反，装置差流近似为零，从而验证了TA、TV的变比和极性。
表3 500 kVⅡ母保护电流记录
4.2 220 kV保护二次回路验证
某500 kV变电站220 kV侧通流通压部分一次接线如图11 所示：其中间隔1（线路）TA 变比为3 200/1，1 号母联TA 变比为4 000/1，间隔2（主变220 kV 侧）TA 变比为4 000/1，TV 变比为。
图11 某500 kV变电站220 kV侧通流通压部分接线图
通流方式：合上间隔1断路器线路侧地刀，电流从间隔1断路器线路侧地刀流入，经间隔1断路器、间隔1 正母隔离开关、1 号母联间隔断路器、间隔2副母隔离开关、间隔2断路器，最终于间隔2断路器母线侧地刀流出。
通压方式：将间隔1三相TV一次侧断引，接上三相一次试验装置通压、通流输出线。
试验装置输出：A 相电流60 A、相角0°；
B相电流80 A、相角240°；
C 相电流100 A、相角120°；
A相电压2 200 V、相角0°；
B相电压2 200 V、相角240°；
C 相电压2 200 V、相角120°；
检查间隔1TV 各次级电压输出，如表4 所示；
检查220 kV母线保护的电流幅值、角度和差流，如表5所示；
检查间隔1保护的电压电流幅值、相角，如表6所示。
表4 间隔1TV各次级电压记录
母联TA 极性同Ⅰ母支路TA 极性，从表5 和表6 中可以看出，间隔1 和间隔2 折算后电流幅值相近，相角基本相反，母线大差差流近似为零；
间隔1和1号母联折算后电流幅值相近，相角基本相反，Ⅰ母小差差流近似为零；
间隔2和1号母联折算后电流幅值相近，相角基本相同，母线保护内母联电流参与Ⅱ母差流计算时，需取反，Ⅱ母小差差流近似为零；
从而验证了TA的变比和极性的正确性。
表5 220 kV母线保护电流记录
表6 间隔1保护电压电流记录
针对现有变电站投运前一次通流通压试验方法的局限性，本文提出了基于大电流高电压解耦同步输出的带负荷试验方法，研发了轻量化的三相一次通流通压成套试验装置，能独立且同步输出最大3 kV 相电压、300 A 相电流，幅值、相角可通过终端远程控制。成套装置及试验方法已广泛应用于全省多个500 kV、220 kV 变电站。使用
情况表明，该试验装置使用简单、搭设方便、数据可靠，大大提高了变电站投运前检查工作的效率及检测数据的准确率。
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