孔祥平，高　磊，黃浩聲，李　鵬，王　業(yè)

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

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1000 kV保護(hù)用電流互感器勵(lì)磁特性試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

孔祥平，高磊，黃浩聲，李鵬，王業(yè)

（江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103）

摘要：保護(hù)用電流互感器（TA）的性能優(yōu)劣直接影響保護(hù)裝置的動(dòng)作行為和電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全，而檢驗(yàn)其性能是否滿足運(yùn)行要求的最有效方法是對(duì)保護(hù)用電流互感器開(kāi)展勵(lì)磁特性試驗(yàn)。文中介紹了工頻法、變頻法和直流法等幾種常用的勵(lì)磁特性試驗(yàn)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并指出需采用變頻法對(duì)1000 kV套管電流互感器進(jìn)行勵(lì)磁特性試驗(yàn)。最后介紹了特高壓輸變電工程中1000 kV套管電流互感器的勵(lì)磁特性試驗(yàn)方案，并以1000 kV氣體絕緣全封閉組合電器的套管電流互感器的勵(lì)磁特性試驗(yàn)為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和被測(cè)電流互感器的性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：保護(hù)用電流互感器；性能檢驗(yàn)；勵(lì)磁特性試驗(yàn)；數(shù)據(jù)分析

保護(hù)用電流互感器（TA）是繼電保護(hù)裝置的主要設(shè)備之一，其性能直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［ 1 ］。由于保護(hù)用TA的性能無(wú)法滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求而導(dǎo)致TA飽和，從而引起保護(hù)誤動(dòng)的事件時(shí)有發(fā)生，特別是各側(cè)TA飽和性能不一致造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題尤為突出［ 2 ］。對(duì)保護(hù)用TA開(kāi)展勵(lì)磁特性試驗(yàn)，是檢測(cè)保護(hù)用TA性能最常用、最有效的方法。通過(guò)開(kāi)展勵(lì)磁特性試驗(yàn)，可以檢查TA的鐵心質(zhì)量，判斷TA的繞組有無(wú)匝間短路、勵(lì)磁特性曲線是否滿足保護(hù)裝置運(yùn)行要求，以確保設(shè)備安全運(yùn)行［ 3 ］。

1　TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)方法

TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)的接線如圖1所示。

圖1　TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)原理接線

在圖1中，N1為TA一次繞組匝數(shù)，N2為被測(cè)二次繞組匝數(shù)。在進(jìn)行勵(lì)磁特性試驗(yàn)時(shí)，TA一次繞組、以及除被測(cè)二次繞組外的其余二次繞組均應(yīng)開(kāi)路。根據(jù)圖1中試驗(yàn)電源輸出電壓頻率f的不同，TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)方法可分為工頻法、直流法和變頻法等3種。

1.1工頻法

所謂的工頻法，就是在工頻條件下對(duì)TA進(jìn)行勵(lì)磁特性試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，保持試驗(yàn)電源輸出電壓的頻率f=50 Hz不變，調(diào)節(jié)其幅值，使得被測(cè)二次繞組中的電流逐漸上升，從而繪制被測(cè)繞組的勵(lì)磁特性曲線。

工頻法原理簡(jiǎn)單，試驗(yàn)電源易獲取且操作方便，但是為保證被測(cè)TA的安全，試驗(yàn)電源的輸出電壓不能過(guò)高，一般不超過(guò)2500 V。然而，在特高壓輸變電工程中，高電壓、大變比的保護(hù)用TA在現(xiàn)場(chǎng)被大量采用。此類TA的拐點(diǎn)電壓較高，傳統(tǒng)的工頻法難以滿足試驗(yàn)要求。

1.2直流法

直流法是通過(guò)試驗(yàn)電源在被測(cè)二次繞組上施加一恒定的直流電壓，使磁通逐漸上升并達(dá)到飽和來(lái)確定TA的勵(lì)磁特性［ 4 ］。利用直流法進(jìn)行TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)的過(guò)程是測(cè)量、記錄勵(lì)磁電流I，并對(duì)繞組兩端電壓進(jìn)行積分得到磁通Φ。根據(jù)記錄的電流和磁通繪制TA各繞組的Φ- I勵(lì)磁特性曲線。

直流法可以避免TA繞組和二次端子承受過(guò)電壓，通過(guò)正反充放電的測(cè)量方法可得到完整的勵(lì)磁曲線，但無(wú)法適用于三相角接TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)。

1.3變頻法

所謂變頻法，其采取的試驗(yàn)電源的輸出電壓頻率是變化的。在勵(lì)磁特性試驗(yàn)過(guò)程中，可以不斷地降低輸出電壓頻率，以相應(yīng)地將折算至50 Hz條件下的等效電壓值提高至TA的拐點(diǎn)電壓以上［ 5，6 ］，從而得到被測(cè)TA的勵(lì)磁特性曲線。

變頻法實(shí)現(xiàn)TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)的原理是勵(lì)磁阻抗Zm=j2πfLm的大小與電壓頻率成正比，因而降低頻率可以降低勵(lì)磁阻抗，從而能夠在較低勵(lì)磁電壓下獲得相同的勵(lì)磁電流。試驗(yàn)頻率fx下實(shí)測(cè)試驗(yàn)電源輸出電壓的峰值Ux與額定頻率f下的等效電壓峰值U的折算關(guān)系為：

采用變頻法進(jìn)行TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）理論上可以滿足任何電壓等級(jí)下任意變比的TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)要求；（2）設(shè)備輸出容量低，無(wú)需大容量的升壓裝置，工作效率高，且不受試驗(yàn)場(chǎng)所限制；（3）在低電壓下完成試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中人身、設(shè)備安全得到保障。

2　1000 kV套管TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)方案

在特高壓輸變電工程中，1000 kV TA主要安裝在變壓器、電抗器套管處以及GIS斷路器兩側(cè)，均為套管式TA。由于1000 kV套管TA的變比很大，其拐點(diǎn)電壓較高，尤其是1000 kV GIS套管TA的拐點(diǎn)電壓甚至高達(dá)27 000 V。為了滿足高電壓、大變比TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)的要求，得到完整、準(zhǔn)確的TA勵(lì)磁特性曲線，在現(xiàn)場(chǎng)使用變頻法開(kāi)展TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)。下面分別介紹變壓器/電抗器套管TA和GIS套管TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)方法。

2.1主變/電抗器套管TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)

變壓器/電抗器套管TA勵(lì)磁特性測(cè)試接線如圖2所示。在進(jìn)行某相套管TA試驗(yàn)時(shí)，TA分析儀的2 個(gè)C1端接套管TA所測(cè)量繞組的S1端，TA分析儀的2個(gè)C2端接套管TA所測(cè)量繞組的S2端并接地。試驗(yàn)時(shí)保證TA一次側(cè)、除被測(cè)二次繞組外的其余二次繞組開(kāi)路。

圖2　變壓器/電抗器套管TA勵(lì)磁特性測(cè)試接線

2.2GIS套管TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)

將GIS套管TA兩端一次線斷開(kāi)，并合上接地刀閘，按圖3所示方法接線，TA分析儀的2個(gè)C1端接TA所測(cè)量繞組的S1端，TA分析儀的2個(gè)C2端接TA所測(cè)量繞組的S2端并接地。試驗(yàn)時(shí)保證TA一次側(cè)、除被測(cè)二次繞組外的其余二次繞組開(kāi)路。

按上述接線方式接線完畢后，把被測(cè)TA繞組的銘牌參數(shù)輸入到TA分析儀，確認(rèn)正確后，點(diǎn)擊開(kāi)始即可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)注意事項(xiàng)

1000 kV套管TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)屬于特殊性交接試驗(yàn)，由于現(xiàn)場(chǎng)正在施工，試驗(yàn)環(huán)境較為復(fù)雜，在試驗(yàn)過(guò)程中尤其需要注意以下事項(xiàng)，以確保試驗(yàn)人員和周圍其他工作人員的人身安全以及TA分析儀和被測(cè)TA的設(shè)備安全。

圖3　GIS套管TA勵(lì)磁特性測(cè)試接線

（1）試驗(yàn)人員應(yīng)熟悉TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)的有關(guān)步驟和方法，提前做好試驗(yàn)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

（2）進(jìn)入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)人員必須戴安全帽、穿絕緣鞋。

（3）試驗(yàn)前應(yīng)詳細(xì)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并與施工單位和TA廠家的技術(shù)人員進(jìn)行充分溝通，檢查安全工器具、被測(cè)TA和測(cè)試儀器。

（4）合理使用臨時(shí)電源；保證TA分析儀金屬外殼接地良好；試驗(yàn)線路接好后，必須檢查確認(rèn)無(wú)誤后，才能進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）試驗(yàn)應(yīng)在試驗(yàn)負(fù)責(zé)人統(tǒng)一指揮下進(jìn)行；試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)呼唱，試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過(guò)程中注意力應(yīng)高度集中，防止異常情況的發(fā)生；出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，查清原因后決定是否繼續(xù)試驗(yàn)。

（6）在作業(yè)單元遇交叉作業(yè)情況時(shí)，立即停止工作。直至協(xié)商完成后，并安排專人進(jìn)行看護(hù)，方可繼續(xù)試驗(yàn)。

（7）遇突發(fā)降雨、大風(fēng)、雷電等惡劣天氣情況，立即降壓降流，切斷電源，停止試驗(yàn)。

3　勵(lì)磁特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)GB 16847—1997［ 7 ］和GB/T 50832—2013［ 8 ］等標(biāo)準(zhǔn)，利用變頻法對(duì)1000 kV GIS套管的5P級(jí)和TPY級(jí)保護(hù)用TA開(kāi)展了勵(lì)磁特性試驗(yàn)。5P級(jí)和TPY級(jí)保護(hù)用TA的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。利用變頻法得到的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)則如表3所示，勵(lì)磁特性曲線分別如圖4、圖5所示。

對(duì)比表2和表3可以看出，被測(cè)1000 kV GIS套管的5P級(jí)和TPY級(jí)保護(hù)用TA的出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差別較小。下面主要針對(duì)被測(cè)5P級(jí)和TPY級(jí)保護(hù)用TA的拐點(diǎn)電壓進(jìn)行分析。對(duì)于TPY級(jí)保護(hù)用TA，其額定二次極限電動(dòng)勢(shì)Ea1為：

表1　1000 kV GIS套管TA主要技術(shù)參數(shù)

表2　1000 kV GIS套管TA出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3　1000 kV GIS套管TA現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4　CT121的勵(lì)磁特性曲線

圖5　CT125的勵(lì)磁特性曲線

式中：Kssc為對(duì)稱短路電流倍數(shù)；Isn為額定二次電流；RTA1為被測(cè)TPY級(jí)保護(hù)用TA的二次繞組電阻；Zbn1為被測(cè)TPY級(jí)保護(hù)用TA的額定負(fù)荷（功率因數(shù)取1）；Ktd為額定暫態(tài)面積系數(shù)。

按照單次勵(lì)磁（C-O）工作循環(huán)計(jì)算，則：

式中：ωs=314.16 rad/s，為同步角頻率；Tp=0.12 s，為1000 kV系統(tǒng)一次回路時(shí)間常數(shù)；Ts=3.9 s，為TPY級(jí)保護(hù)用TA的二次回路時(shí)間常數(shù)；t1=0.1 s，為斷路器首次切斷時(shí)間。計(jì)算可得Ktd約為22.0；由式（1）計(jì)算可得，Eal=18 616 V。

對(duì)于5P級(jí)保護(hù)用TA，其額定二次極限電動(dòng)勢(shì)：

式中：Kalf為準(zhǔn)確限值系數(shù)；RTA2為被測(cè) 5P級(jí)保護(hù)用TA的二次繞組電阻；Zbn2為被測(cè)5P級(jí)保護(hù)用TA的額定負(fù)荷（功率因數(shù)取1）。計(jì)算可得，Esl=1416 V。

對(duì)比式（2）、式（4）和表3所示的套管TA現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，被測(cè)TPY級(jí)和5P級(jí)保護(hù)用TA的拐點(diǎn)電壓實(shí)際值大于其相應(yīng)的額定二次極限電動(dòng)勢(shì)；同時(shí)與出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)和同類別TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，被測(cè)TPY級(jí)和5P級(jí)保護(hù)用TA符合運(yùn)行使用要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展保護(hù)用電流互感器的勵(lì)磁特性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其性能是否滿足運(yùn)行要求，是特高壓輸變電工程的一項(xiàng)重要現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)。文中介紹了1000 kV 變壓器、電抗器和GIS的套管TA勵(lì)磁特性試驗(yàn)方案；并指出需采取變頻法開(kāi)展1000 kV 套管TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)，以應(yīng)對(duì)特高壓現(xiàn)場(chǎng)中高電壓、大變比TA拐點(diǎn)電壓高的實(shí)際情況。同時(shí)，從拐點(diǎn)電壓的角度對(duì)1000 kV GIS套管TA的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。該研究成果可以為特高壓現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展保護(hù)用TA的勵(lì)磁特性試驗(yàn)提供借鑒。

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孔祥平（1988），男，江西上饒人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

高磊（1982），男，山東青島人，高級(jí)工程師，從事智能變電站調(diào)試、運(yùn)維技術(shù)的研究工作；

黃浩聲（1979），男，浙江溫嶺人，高級(jí)工程師，從事直流輸電控制與保護(hù)研究工作；

李鵬（1982），男，陜西周至人，高級(jí)工程師，從事直流輸電控制與保護(hù)研究工作；

王業(yè)（1984），男，江蘇南京人，工程師，從事直流輸電控制與保護(hù)研究工作。

Excitation Features Testing and Field Data Analysis for the Current Transformer Used in 1000 kV Protection

KONG Xiangping， GAO Lei， HUANG Haosheng， LI Peng， WANG Ye
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：The performance of the current transformer used in protection is of great significance to the action of relay protection and the operation safety of power systems. In order to evaluate the performance of the current transformer used in protection， it is necessary to implement excitation features test. The commonly used excitation features testing methods （such as power frequency method， variable frequency method and direct current method）， as well as their advantages and disadvantages are introduced. It is pointed that the variable frequency method should be adopted for the excitation features testing of 1000 kV current transformer. Moreover， the excitation features testing schemes for the 1000 kV current transformer used in Gas Insulated Switchgear （GIS） are introduced. Finally， according to the field testing data of the 1000 kV current transformer， the performances of the tested current transformers are analyzed.

Key words：current transformer used in protection； performance evaluation； excitation features testing； data analysis

中圖分類號(hào)：TM452

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-0665（2016）03-0060-04

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015 -11-13；修回日期：2015-12-28