模擬帶負荷測試（系統）裝置的研究與應用

尚鎮　化亮　朱轉軍

摘? ?要：針對新設備需要帶負荷校驗保護裝置所引起的系統方式調整和倒閘操作風險，以及一些新建廠站由于短期內無法組織負荷而影響設備投產等問題，為了提高經濟效益及盡量縮短主設備的啟動試驗時間，針對模擬帶負荷測試進行了研究。設計了模擬帶負荷繼電保護向量檢測裝置能夠模擬一次回路各種三相對稱、不對稱向量，介紹了模擬試驗的技術原理，并對母線、線路及變壓器的負荷向量進行了模擬，分別對母差保護、線路保護和變壓器差動保護等進行了模擬試驗。實驗表明，本研究設計的技術方案，既能滿足常規變電站，也能滿足智能變電站測試需求，既能測試母差保護、線路保護，也能測試主變差動等各種保護。模擬帶負荷效率高，具有可推廣價值。

關鍵詞：帶負荷測試;母差保護;線路保護;變壓器差動保護;模擬試驗

中圖分類號：TP306? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research and Application of Analog Load Test （System） Device

SHANG zhenHUA liang，ZHU Zhu-jun

（Gansu Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu 730000，China）

Abstract：In order to improve the economic efficiency and minimize the main equipment，the system equipment needs to be adjusted and the risk of switching operation caused by the load check protection device for new equipment，and some new plant stations may not be able to organize the load in a short period of time and affect the equipment production. The test time was started and the simulated load test was conducted. The simulated load-bearing relay protection vector detection device can simulate various three-phase symmetry and asymmetry vectors of primary loops. The technical principle of the simulation test is introduced，and the load vectors of the busbars，lines and transformers are simulated. Simulation tests were carried out for differential protection，line protection and transformer differential protection. The test shows that the technical scheme designed can meet the requirements of conventional substation and intelligent substation testing，and can test various protections such as bus differential protection，line protection，and main transformer differential. The test results show that the simulated load has high efficiency and promotional value.

Key words：load test;busbar protection;line protection;transformer differential protection;simulation test

隨著電力技術的發展，新建廠站投運時，由于設備多，逐個送電及測試，需要大量的倒閘操作，完成送電經常要工作至凌晨甚至需要兩三天的時間，現場工作艱苦繁重[1-2]。更突出的問題主要表現在一些新建廠站，如電鐵牽引站、倒送電的電廠等為了組織測試所需的負荷費盡周折，甚至部分廠站由于短期內無法組織負荷而影響設備投產?！禗L/T995-2006繼電保護和電網安全自動裝置檢驗規程》規程中要求新建變電站一、二次設備安裝完畢后，帶負荷進行向量檢查是繼電保護技術工作中非常重要的項目，向量錯誤將導致正常運行狀態或故障狀態的繼電保護誤動或拒動，繼電保護正式投運前必須保證向量的正確性[3-6]。目前采用傳統式的電工式單相大電流發生器只能逐相對相回路電流互感器變比、極性進行檢測，無法將差回路進行檢測[7-9]。

針對上述問題以及新設備需要帶負荷校驗保護裝置所引起的系統方式調整和倒閘操作風險，以及一些新建廠站由于短期內無法組織負荷而影響設備投產等問題，研究了一種新型的模擬負荷測試系統。能夠滿足保護相位測試要求，在新設備送電前完成全部測試工作，這樣能夠使系統具備直接投運條件，大大節省了組織負荷成本，減輕了現場工作人員的工作負擔[10]，而且避免了系統方式的變化以及大量的倒閘操作給電網帶來的安全風險。

1? ?現有檢驗模式

以往在變電站啟動投運之前，通常需要做電流互感器的一次通流試驗，以驗證電流互感器的變比、繞組是否正確，是否按保護裝置的要求接入。測試方式通常是按單間隔、單相的方式進行，不僅費時費力[11-12]，而且也不能全面保證電流回路的正確性，例如在母差保護中，要求電流互感器的極性朝向一致，傳統的單間隔、單相試驗方法，只能對母差電流回路的正確性進行局部驗證。

按照目前的調試還存在以下幾方面的弊端：

（1）按照目前的投產啟動方式，需一步步驗證一次接線、部分二次回路接線是否正確完整，才能將設備按照運營方式的要求進行投運，試驗進度緩慢。

（2）從開始驗證到正式確定好運行方式，中間的操作涉及一次狀態的更改和保護的投退，工作量巨大，更改和投退方式有時多達上千次。

（3）系統在運行時，一次、二次回路可能存在錯誤及帶負荷試驗時回路驗證的需要，保護不能直接投入，必須由相鄰的電源側保護完成系統可能故障時的切除任務。由于輸電方式是單側送電，大多是過電流保護、距離保護，保護動作速度較慢。

目前，市場上，比如河北省電力有限公司率先開發了一套向量檢查試驗系統，該系統采用調壓器、升壓變壓器原理產生高電壓、大電流，從互感器一次側通流、加壓。該系統包括一套試驗電源、一套模擬負載。試驗系統的電源取自站用變壓器，輸出接至電流和電壓互感器的一次側，經互感器傳變和完整的二次回路通入繼電保護裝置，作為進行向量檢查的電氣量，從而在變電站投運之前即確認繼電保護向量的正確性[13-15]。但是該系統存在以下問題：

（1）向量檢查模擬系統實際上是一臺三相大功率高電壓源，電流輸出受負載大小形式的影響，須配置模擬負載及補償電容器，采用補償電容器調節電流輸出，計算及操作復雜;

（2）采用調壓器+升壓器原理，電壓輸出精度差;

（3）該系統輸出容量大，為百kVA級，而一般變電站的施工電源容量小于200 kVA，應用受到限制;

（4）該系統總重量高達5噸，體積龐大，移動不便，需要配置專用的卡車，甚至需要配置一臺發電機，而且試驗不靈活，試驗接線長，現場使用很不方便。

變電站傳統投產啟動方案采用循序漸進的方式，雖然安全可靠，但是進度慢、工作量大、存在可能的故障風險多等。帶一次負荷試驗要求必須有一定量系統負荷，如果負荷電流太小不滿足測試要求值，相關試驗無法完成;帶一次負荷試驗，發現回路故障后，故障排查需要時間，耽誤變電站正常投運進度。

2? ?系統設計方案

本研究設計的模擬帶負荷繼電保護向量檢測裝置，能夠模擬一次回路各種三相對稱、不對稱向量，用于母線、線路及變壓器的負荷向量模擬，裝置可輸出工頻高電壓、大電流到變電站的一次設備，檢查母差保護、線路保護、測控裝置、計量裝置、錄波裝置等二次設備的向量正確性。還可輸出三相工頻或低頻電源，配置高精度無線選頻相位伏安測試裝置滿足高阻抗變壓器差動保護二次回路正確性的驗證及六角圖繪制。其設計原理示意圖如圖1所示。

在上文設計中，三相交流電經整流濾波后得到高壓直流，整流濾波后的母線電壓加到PWM控制芯片驅動的H橋兩端，產生高頻電流，在每一個H橋的工作周期，兩組電子開關的的通斷時間相等，保證了在每半個周期內的伏秒數相等（10 ms時間內），經H橋功率管高頻變換后經過整流濾波，由降壓升流器實現大電流直接輸出。

模擬帶電負荷試驗裝置理論的核心在于PWM控制，因裝置最終以交流電的形式輸出，具體為SPWM正弦脈寬調制技術，SPWM通過對一系列寬窄不等的脈沖進行調制，來等效正弦波形（幅值、相位和頻率）。其技術特征可以表示為：

（1）電源裝置Ⅰ路輸出三相對稱電源經三相升流器轉換輸出（長時間）：200 A，開口電壓不小于10 V，施加于母線CT一次;

（2）電源裝置Ⅱ路輸出三相對稱電源經三相升壓變壓器輸出三相對稱高電壓，可施加10 kV電壓對母線PT一次;

（3）裝置Ⅰ路與裝置Ⅱ路可控制移相輸出，相位調節范圍±180°，對線路保護向量進行檢測;

（4）裝置Ⅰ路可直接輸出三相對稱低頻和工頻電流，380 V/50 A，對變壓器差動保護回路進行檢測。

本研究利用大功率寬頻率試驗電源（0.5-50 Hz），能夠實現對新建變電站工程的帶負荷測試保護向量接線檢查，利用電源模擬電網送電負荷實現對母差保護、線路保護、變壓器差動保護等的相位、極性檢查等?？芍攸c對大型變壓器例如750 kV/100 MVA的高阻抗變壓器利用本研制裝置，通過中壓側隔離開關處對母線（含保護CT）加壓激勵，分別將高壓側、低壓側二側母線（含保護CT）通過接地開關合閘形成短路方式，直接產生三側電流，由保護屏顯示或CT二次側通過寬頻相位表直接測試變壓器差動保護六角圖。

3? ?關鍵技術設計及相關技術參數

3.1? ?關鍵技術因素

3.1.1? ?濾波問題

因裝置采用電子開關方式，輸出波形不同于調壓隔離升流方式，因此工頻輸出濾波是影響無線相位伏安測試儀對小信號測試的關鍵因素，電源輸出端采用三階正弦濾波技術，才可保證輸出電壓波形品質好，可適應各種負載。

3.1.2? ?環境影響

無線相位伏安測試儀相位測量時間的同步，無線相位表必須有第三方參考基準才能實現相位的同步測量，315 MHz、433 MHz及2.4 G無線信號的延時一般時間為幾十毫秒至幾百毫秒，無法滿足相位的測量需求，GPS信號受環境的影響較大，無法滿足室內測量，高精度時間校準難以實現，保證半小時內累計誤差小于50 ns是無線相位測量的關鍵技術和難點之一。

3.1.3? ?噪聲抵制

在小信號測量過程中，環境噪聲對測量結果影響很大，如果不濾波會造成過零點采樣時電平的震蕩，而采用普通的濾波方式又很容易造成相位的偏差，因此采用數字濾波方式，需利用快速傅里葉變換實現相位及幅值在強干擾下的正確測量。

3.1.4? ?差動保護問題

變壓器高低壓側電氣隔離，試驗裝置的電源容量不能滿足在一側通電流來測試差動保護的要求，需要在測試方法上另辟蹊徑，本項目擬采用低頻通流以提高二次電流信號。

3.2? ?設計的技術參數

本研究所提系統裝置能夠實現不同保護、不同場合下模擬帶負荷校驗保護相位的測量，成品形式是為小型化的電子式三相模擬帶負荷試驗裝置，其能夠長時間輸出大電流，續輸出大電流不小于200 A，時間不小于30分鐘，設備單體重量輕，便于現場搬運。其具有以下技術參數：

（1）變頻電源采用高頻開關放大器原理設計，三階濾波輸出，觸摸屏設計，幅值、相位單獨可調，具有輸入過壓/欠壓保護，輸出過流保護，過熱保護

額定容量：30 kVA

輸入：三相四線 380 V±10%/50 A

頻率：50 Hz

輸出波形：標準正弦波

波形失真：優于THD3%

輸出穩定度：±1%

輸出頻率：0.5 Hz～150 Hz可選，雙路輸出獨立，單獨可控，其中：

Ⅰ路輸出：電流/電壓：0～380 V/0～50 A連續可調

Ⅱ路輸出：電流/電壓：0～380 V/0～5 A連續可調

Ⅱ路以Ⅰ路電流為參考基準可移相輸出，移相范圍±180°

使用環境：-20 ℃至50 ℃，相對濕度<90%，海拔2000 m以下。

（2）三相工頻大電流轉換輸出裝置

額定容量：10 kVA

輸入電壓/電流：0～380 V/15 A

輸出電流：對稱120°三相電流，自動調整三相電流不平衡，并分相顯示輸出電流幅值，

輸出電流/開口電壓：0～200 A/15 V（工頻）連續可調，輸出電流200 A，時間不小于120分鐘

（3）三相工頻電壓轉換輸出裝置

容量：3 kVA? 輸入電壓/電流：0～380 V/5 A

輸出：對稱120°三相電壓，自動調整三相電壓不平衡，并分相顯示輸出壓幅值，輸出一次電壓范圍：0～10 kV/200 mA;輸出二次電壓范圍：0～100 V/1 A

（4）高精度無線遙測相位伏安表電氣參數（一臺主機/三臺分機）

電流鉗（工頻）：5 mA～5 A

精度：±0.5%? ?最高分辨率：0.1 mA

（低頻）：2 mA～500 mA? 精度：±1%

最高分辨率：0.1 mA

電壓范圍：0.200～400 V

精度±0.5%? ?最高分辨率：1 mV

相位測試范圍及誤差：0～360° 誤差：≤3°

無線通訊距離：空曠500 m，采用中繼方式大于1 000 m

表計對時同步采樣時間誤差（30分鐘內）：50 ns以內（測量偏差1°以內）

（5）無線叉口式電流鉗（三組/9只）

測量電流范圍：5.0～500 A? 準確度：±2%? ? 最高分辨率：0.1 A

無線通訊距離：空曠200 m

3? ?試驗結果與仿真

本研究設計的技術的方案在甘肅某（電力）公司進行了試驗和分析，并在現場進行了模擬仿真。在模擬測試時，分別對母差保護、線路保護和變壓器差動保護等進行了試驗。在試驗時，采用的方式如下：

（1）CT電流互感器一次通流：對被檢測的母線間隔由隔離開關處接入三相電流輸入線，將被測母線間隔的接地刀合閘，啟動裝置根據母線間隔的電流互感器的變比確定輸入一次電流幅值，裝置輸出三相互為120度的工頻大電流，對電流互感器的變比、相位進行測試。

（2）PT電壓互感器一次加壓：斷開母線PT聯絡開關，將其母線間隔的接地刀全部打開，對PT一次接入裝置升壓變壓器（10kV）三相電壓輸入線，對PT一次側加壓，對電壓互感器的變比、相位、開口三角電壓進行測試。

（3）變壓器中壓側低頻通流加壓：參照變壓器負載試驗接線方式，對三繞組變壓器由中壓側施加電壓（380 V/50 A），分別將高壓側母線（帶母線電流互感器）接地刀閘合上（高壓側短路-低壓側開路），一次試驗便可將中壓側和高壓側的母線上所有電流互感器的二次信號全部測試完成，同理將低壓側母線（帶母線電流互感器）接地刀閘合上（低壓側短路-高壓側開路），一次試驗便可將中壓側和低壓側的母線上所有電流互感器的二次信號全部測試完成;根據高低壓側電流的相位角度判定變壓器接線組別。

一般情況下，大型主變的短路阻抗較高，電抗占有較大分量，當施加工頻電源（50 Hz）在保護裝置二次顯示屏無法準確讀數判定變壓器差動保護向量時（模擬保護裝置顯示屏分辨率為0.01 A，數字保護裝置顯示屏分辨率為0.001 A），可以通過改變試驗電源頻率（5 Hz）可以有效的降低試驗電源的功率同時提高輸入電流幅值，采用高精度無線遙測選頻相位伏安表（加入傅里葉計算測取施加的電源頻率信號，精度可以保證到2 mA），測試得到保護裝置各電流互感器二次電流和相位角度。下面進行具體試驗。

3.1? ?母差保護試驗

利用一組三相工頻大電流，在一母線支路（如母線進線）通入試驗電流，于母線其它支路（如母線出線）接回電流，試驗電流通過進線CT 、母聯開關、線路CT形成回路，在保護屏上讀取電流幅值相位及差流，檢查母差保護向量的正確性。試驗結構圖如圖2-圖4所示。

通過上述試驗，以雙母線接線方式一次通流接線：見圖（3）打開間隔Ⅰ線路側GIS接地開關處的接地聯絡銅排，將三相電流轉換裝置的大電流輸出相分別按照對應相序接入到A相、B相、C相，合上間隔Ⅰ、母聯間隔和間隔Ⅱ的斷路器，合上間隔Ⅱ線路側接地開關。試驗電流通過進線CT 、母聯開關、線路CT形成回路，在保護屏上讀取電流幅值相位及差流，檢查母差保護向量的正確性。模擬負荷裝置三相輸出電流約為155 A，電流從間隔Ⅰ正母流入，通過母聯從副母的間隔Ⅱ流出，可同時檢驗間隔Ⅰ開關、間隔Ⅱ開關及母聯開關3個的TA回路和母線差流，通過測試，得出如表1所示的數據。

通過上述三相通流試驗，在保護屏顯示屏查看二次回路各信號幅值相位，發現第一套保護接線正確無誤，但在第二套保護裝置顯示屏中出現了母線差流，表明第二套保護裝置互感器的二次接線有誤，懷疑是極性接反導致，后續進行排查接線無誤，發現是第一套保護與第二套保護廠家裝置定義極性沒有保證一致引起。

通過上述數據可以看出：

利用進線開關串帶母聯開關和出線開關回路，三相一次通流可以完整的將三個間隔的母差保護回路一次校核完成，及時發現了雙套保護裝置因廠家極性定義不同導致母差保護出現差流的錯誤。較使用單相大電流逐一校核開關CT二次回路提高工效數倍以上，縮短了接線校核時間。

3.2? ?線路保護試驗

在線路保護試驗時，利用一組三相工頻電壓和一組三相工頻電流，分別給PT加壓及線路CT通流，模擬一次負荷電流和工作電壓，電流和電壓相位可以靈活設定，檢查線路保護向量正確性。

在試驗時，以220 kV線路保護試驗為例，利用電壓轉換升壓裝置對220 kV母線側PT一次施加電壓約為2800 V，模擬母線三側帶電，接線如圖5所示，三相大電流對線路通流仍為155 A，與電壓移相30°，由顯示屏讀取PT二次電壓，CT二次電流及三相相位角度。斷開電壓轉換轉裝置的C相輸入，對220kV母線側PT一次施加電壓仍為2800 V，測量線路PT的二次開口三角電壓。

通過上述測試，得出如表2所示的數據，其中電流單位為I，電壓的單位為V。 在測試時，系統為模擬線路帶阻感性負荷檢查。

經過220 kV智能開關站現場應用，采用模塊化設計的本試驗裝置能夠靈活輸出三相對稱工頻大電流，還可同時輸出相對于電流為基準進行移相的三相對稱電壓，把該輸出加到一次開關CT和母線PT上后，可以同時檢驗CT、PT變比和極性的正確性，以及檢測線路保護、母線保護的二次回路的正確性，同時切斷一相電壓可直接檢測出開口三角電壓。

通過表2中的數據可以看出：一次試驗就可有效驗證線路保護向量方向和母線電壓回路二次接線的正確的及檢查互感器開口三角電壓的有效性。

3.3? ?變壓器差動保護試驗

在變壓器差動保護時，根據變壓器試驗繞組對短路電抗大小，選擇對變壓器繞組施加三相工頻或低頻，對變壓器高壓側（或中壓側）一次加壓，利用激勵電流模擬加壓側一次負荷電流，中壓側（高壓側或低壓側）母線三相短路接地，利用短路電流模擬短路側一次負荷電流，檢查變壓器差動保護向量正確性及推算差流。在變壓器差動保護試驗時，根據變壓器試驗繞組對短路電抗大小，利用激勵電流模擬加壓側一次負荷電流，利用短路電流模擬短路側一次負荷電流，檢查變壓器差動保護向量正確性。以某熱電廠高廠變差動保護進行試驗測試，測試數據如表3所示。其中高壓側套管互感器變比為300/1;低壓側套管互感器變比為3000/1，變壓器額定容量為40000/25000-25000+12000 kVA，額定電壓為230+8×1.25%/6.3-6.3+6.3 （kV），連接組標號為YNyn0-yn0+d11

測試裝置在保護裝置的二次端子進行電流幅值和相位的檢測。為驗證低頻相位檢測的準確性，后續用工頻電源對變壓器差動保護回路進行了檢測，證明了低頻法與工頻法檢查變壓器差動保護的一致性和有效性。通過選擇高壓——低壓Ⅰ+ 低壓Ⅱ實驗，估算電流如表4所示。在測試時，使用3 Hz試驗頻率電源，變壓器按近似感性考慮，當三相380 V電源加壓通流時，變壓器短路阻抗減小近8倍，大約為15 Ω左右，高壓--低壓Ⅰ+低壓Ⅱ實驗Z≈12 Ω。

通過表4可以看出，經過熱電廠啟備變差動保護檢測的現場應用，三相低頻電源模擬帶負荷校驗變壓器差動保護完全可行，測試現場可以根據變壓器阻抗參數，通過計算等效短路阻抗，選擇工頻（或低頻）從一次側通入三相對稱電流，對電流互感器的變比、極性以及接線方式進行確認，檢驗主變差動保護，可有效地避免了帶負荷校驗保護和計量回路極性錯誤。解決了電廠或變電站后期為滿足保護接線檢測，采用電網反送電，由電廠組織帶負荷進行保護二次接線檢查的所帶來的電能消耗及調度下令進行倒閘操作的安全風險。開展這項試驗工作后，可以大大縮減變電站啟動投產所需時間。

通過在甘肅某（電力）公司內進行試運行，直接的經濟效益如下：

（1）新建投產電廠為滿足帶負荷測試時，節省了為組織負荷所消耗的電費支出。目前基本上采用先由系統電網通過線路對電廠倒送電，電廠配合啟動廠內風機、水泵等用電設備以提高一次電流，保護裝置的檢查費以及電費支出有時高達幾十萬元。

（2）縮短了啟動投運所消耗的時間和人員成本支出，此項工作涉及調度、運行、現場調試人員多方配合。以 15 人/天計，每天平均 8 小時計，人均每小時人工費用以100元計，每節省一天時間每次直接產生經濟效益12000元/天。

產生的間接經濟效益為：

通過模擬帶負荷測試，驗證回路無誤后設備可以不經過帶負荷測試直接投運;可有效避免設備損壞事故、電網停電事故，間接經濟效益相當可觀。

4? ?結? ?論

通過在一次側三相定幅值通流比較，能夠對電流互感器的變比、極性以及接線方式再次進行確認，從電流互感器一次側通入三相對稱大電流檢驗線路保護、計量、母線保護、主變差動保護和后備保護的極性。實驗表明，本研究的方案能夠有效地避免帶負荷校驗保護和計量回路極性的不足，通過在電流互感器一次側通入三相對稱電流，對二次部分保護、測量、計量同時檢驗，同時輔以無線遙測相位伏安表的測試數據計算出互感器的二次負擔，提高了測量精度，具有較好的使用價值，

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