0 引 言

 在電力系統的建設和運行中，為驗證電流互感器二次回路及保護裝置電流回路的完整性和繼電保護方向正確性，需要進行電流互感器極性試驗、一次通流試驗和帶負荷相量測量工作［1］。通常情況下，在設備調試驗收階段已經分別對互感器二次回路和保護裝置的極性進行了驗證，但未進行互感器一二次之間、繼電保護裝置本體及其二次回路整組的方向性驗證，繼電保護設備方向性元件正確性未完全確定，不能作為可信賴設備正式投運［2］。為確保繼電保護裝置及其回路的**正確性，需要一次設備帶電后，用負荷電流和系統電壓對繼電保護接線的正確性進行驗證，在多數情況下，帶負荷驗證工作由于無負荷電流或負荷電流過小無法開展，給電網運行帶來風險［3 － 4］。

 針對以上問題，提出一種基于暫態相控大電流的繼電保護無負荷相量測量方法，該方法可實現在設備帶電前利用與參考電壓相位相關的暫態相控大電流模擬負荷電流對電流二次回路和繼電保護方向性進行驗證，解決帶負荷驗證工作由于無負荷電流或負荷電流過小不能開展的問題，同時實現電流互感器極性、電流互感器二次回路注流、帶負荷相量測量三項試驗在設備正式帶電前一次性完成。

1 常規相量測量方法及存在問題

1． 1 常規繼電保護帶負荷相量測量方法

 相量測量原理如圖 1 所示，相量測量前需一次設備帶電，電壓互感器二次側有電壓，電流互感器流過一定大小的負荷電流，以保證相量測量設備可正確測量相位。相量測量過程如下:

 待被測線路帶電后，且在線路中存在一定負荷之后，利用鉗形相位表在保護裝置電壓電流入口處，采集單相電壓( UA /UB /UC ) 任一相作為參考電壓，利用鉗形相位表采集保護裝置輸入 A 相電流，以電壓為基準，對比電流超前或滯后參考電壓的角度，以確定電流電壓極性是否正確，依次完成 B、C 相電流的帶負荷相量測量工作。

1． 2 帶負荷相量測量過程存在的問題

 1) 在實際新設備啟動過程中，部分設備在帶電后無負荷情況下( 如高鐵牽引站、新投運的發電廠等純負荷新投用戶或終端電源) 帶負荷向量測量工作無法開展［5］。

 2) 多數情況下，在新設備投運時，由于無法組織到滿足繼電保護方向驗證的*小負荷電流［6］，無法及時進行方向驗證，造成繼電保護方向長期處于 不 明 確 狀 態，給電網運行帶來極大運行風險［7］。

 3) 人為干預運行方式的相量測量方式下，為組織到滿足繼電保護方向驗證的*小負荷電流，需要臨時或反復調整電網運行方式［8］，同樣會給電網運行帶來風險，同時增加了現場倒閘操作工作量及操作風險［9］。

 針對常規帶負荷相量測量過程中存在的問題，本文考慮用系統電壓控制大電流源相位輸出，將大電流源注入電流互感器一次側，真實模擬系統負荷，并進行一次設備帶電前的無負荷相量測量。

2 基于二次設備無負荷相量測量方法

2． 1 二次設備無負荷相量測量原理

 如圖 2 所示，以電壓互感器二次電壓或繼電保護測試儀輸出電壓作為大電流發生器輸出電流相位參考電壓，如式( 1) 所示。

I = kU × ejθ ( 1)

式中: I— 大電流發生器輸出暫態電流;

U— 參考電壓( 互感器二次電壓或繼電保護測試儀輸出電壓) ;

k—綜合考慮負載和電力電子控制特性的比例系數;

θ —I 超前 U 的相位，若超前，θ 為正; 若滯后，θ 為負。

 同時將參考電壓 U 引入未投運間隔繼電保護參考電壓輸入位置，在大電流暫態輸出過程中可在被測保護裝置電壓電流入口處進行相量測量，并有如式( 2) ( 電流互感器二次電流正極性接入) 或式( 3) ( 電流互感器二次電流反極性接入) 所示相位關系; 同時可進入保護裝置內部采樣觀察電流電壓之間相位關系，以確定相量測量是否正確。

I/nTA = k /nTA × U × e jθ ( 2)

I/nTA = k /nTA × U × ej( θ+180°) ( 3)

式中: nTA —電流互感器變比。

2． 2 二次設備無負荷相量測量實現方法

2． 2． 1 相位可控的暫態大電流發生器

 二次設備無負荷相量測量依賴輸出電流相位可控的大電流發生器。實現大電流相位輸出可控，必須依賴全控型大容量電力電子器件，通過交 － 直 － 交變流方式，同時在直流變交流輸出時增加參考電壓控制逆變輸出交流電流相位功能，*終實現大電流相位可控，基本原理如圖 3所示。

2． 2． 2 無線電壓采集發射模塊

 該部分主要完成在具備電壓采集條件的地點進行電壓采集并進行廣播式發射功能，保證暫態相控大電流發生器、錄波型向量測量裝置、被測保護設備接收參考電壓均為同一參考電壓。

2． 2． 3 錄波型向量測量分析模塊

 由于相控暫態大電流為短時( ≤100 ms) 輸出，依靠常規穩態量相量測量方法無法完成測量，因此可基于錄波方式測量相量。完成暫態電流與參考電壓的錄波與向量分析，該模塊從保護裝置電流輸入端采集暫態相控電流，同時實時接收電壓采集發射模塊發射的無線參考電壓( 與暫態相控大電流發生器為同一參考電壓) ，在暫態相控大電流發生器輸出暫態大電流時啟動錄波功能，對暫態電流和參考電壓進行錄波，暫態相控大電流發生器停止輸出后，錄波型向量測量設備分析已錄暫態電流和參考電壓間相位關系并給出向量分析結果。

3 無負荷相量測量方法的應用

基于暫態相控大電流的二次設備無負荷相量測量方法可依據新建場站和擴建間隔有不同測量方法。

3．1 已投運場站間隔擴建時無負荷相量測量方法

 以擴建 A 變電站為例，如圖 4 所示變電站 A擴建對 203 新建擴建間隔進行向量測量。擴建時 201、202 間隔為已經運行帶電間隔，203 為新擴建間隔并處于檢修( 不帶電) 狀態。具體方法如下:

 測量參數: 參考電壓為系統 A 相電壓，電壓幅值 57． 7 V、相 位 0°，被測電流互感 器變比1 500 /1，二次電流極性正極性接入方式，一次暫態電流輸出幅值設置為 300 A。相位超前參考電壓相位 30°條件下，理論計算輸入保護裝置電流二次值為 0． 2 A，相位超前參考電壓相位 30°。

 在 I 母線電壓互感器二次端子箱處，將“參考電壓”無線發射裝置并接 I 母線電壓互感器二次電壓 A 相，參考電壓無線發射模塊將輸入的 A相，57． 7 V 電壓經過模數轉換后，通過無線方式發射給暫態相控大電流發生器和錄波型向量測量裝置( 如圖 4 中虛線所示) 。將相控暫態大電流發生器暫態電流輸出端用大截面積導線接入 203新擴建間隔電流互感器一次側，注意極性端靠近母線側，并查看無線電壓采集輸入是否正常，是否為 57． 7 V。在 203 間隔保護裝置處用錄波型向量測量裝置電流鉗住二次電流 A 相導線，查看二次電流輸入是否正常。查看無線電壓接收模塊電壓接收是否正確，并用二次試驗線將輸出的模擬量電壓接入 203 線路保護裝置，并在保護裝置中查看電壓是否輸入正常。

 待上述檢查均正常后，觸發暫態相控大電流發生器輸出暫態相控大電流，并用錄波方式進行相量測量，保護裝置錄波如圖 5 所示，電壓電流相量如圖 7 所示。將加在電流互感器兩側的大電流接線互換，模擬接入保護裝置輸入電流極性人為接反后保護裝置相量測量情況，從圖 6、圖 7 可以看出，保護裝置電流采樣值隨之發生 180°翻轉。

重復上述工作分別進行 B、C 相向量測量，測量結果正確，方向性保護具備投運條件。

3．2 全站新建時無負荷相量測量方法

 以新建 B 變電站為例，如圖 8 所示新建變電站 B 對 201、202、203 新建間隔進行向量測量。新建時全站設備均不帶電，所以參考電壓無法從已經投運間隔獲得，此時為獲得參考電壓信號，可采用繼電保護測試儀輸出模擬量電壓為參考電壓，參考電壓無線發射裝置采集保護測試儀輸出 A相電壓( A 相，57． 7 V) 。測量參數與 3． 1 中測量參數相同。

 將繼電保護測試儀 A 相( A 相，57． 7 V) 電壓分別接入保護裝置和參考電壓無線發射模塊，參考電壓無線發射模塊將輸入的 A 相、57． 7 V 電壓經過模數轉換后，通過無線方式發射給暫態相控大電流發生器和錄波型向量測量裝置。將相控暫態大電流發生器暫態大電流輸出端用大截面積導線接入 201 新建間隔電流互感器一次側，極性端靠近母線側，并查看無線電壓采集輸入是否正常，是否為 57． 7 V。在 201 間隔保護裝置處用錄波型向量測量裝置電流鉗鉗住二次電流 A 相導線，查看無線電壓采集輸入是否正常，并在保護裝置中查看電壓是否輸入正常。

 待上述檢查均正常后，觸發暫態相控大電流發生器輸出暫態相控大電流，并用錄波方式進行相量測量，在電流互感器極性及二次回路接入完全正確情況下，在一次暫態電流輸出幅值為 300 A，相位超前參考相位 30°條件下，測得輸入保護裝置電流二次值為 0． 2 A，相位超前參考 電 壓 相位 30°。

 在電流互感器或二次回路接入存在錯誤時，在一次暫態電流輸出幅值為 300 A、相位超前參考相位 30°條件下，測得輸入保護裝置電流二次值為 0． 2 A，相位超前參考電壓相位 210°。

重復上述工作分別進行 B、C 相向量測量，測量結果正確，方向性保護具備投運條件。

4 結 論

 分析了繼電保護常規相量測量方法存在的問題，提出了一種基于暫態相控大電流的繼電保護無負荷相量測量方法，對場站擴建和新建兩種方式的無負荷相量測量方法進行了介紹，并通過了實驗驗證。實驗表明，本文提出的繼電保護無負荷相量測量方法具備等效帶電調試驗證效果，相量測量完畢后可直接投入運行，無需再進行設備啟動，對大幅降低電網運行風險、簡化啟動流程等方面具有重要意義。