1000 kV保護用電流互感器勵磁特性試驗及數據分析

孔祥平，高　磊，黃浩聲，李　鵬，王　業

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

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1000 kV保護用電流互感器勵磁特性試驗及數據分析

孔祥平，高磊，黃浩聲，李鵬，王業

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

摘要：保護用電流互感器（TA）的性能優劣直接影響保護裝置的動作行為和電力系統的運行安全，而檢驗其性能是否滿足運行要求的最有效方法是對保護用電流互感器開展勵磁特性試驗。文中介紹了工頻法、變頻法和直流法等幾種常用的勵磁特性試驗方法及其優缺點，并指出需采用變頻法對1000 kV套管電流互感器進行勵磁特性試驗。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磁特性試驗方案，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磁特性試驗為例，對現場試驗數據和被測電流互感器的性能進行了分析。

關鍵詞：保護用電流互感器；性能檢驗；勵磁特性試驗；數據分析

保護用電流互感器（TA）是繼電保護裝置的主要設備之一，其性能直接影響電力系統的安全運行［ 1 ］。由于保護用TA的性能無法滿足實際現場應用要求而導致TA飽和，從而引起保護誤動的事件時有發生，特別是各側TA飽和性能不一致造成差動保護誤動的問題尤為突出［ 2 ］。對保護用TA開展勵磁特性試驗，是檢測保護用TA性能最常用、最有效的方法。通過開展勵磁特性試驗，可以檢查TA的鐵心質量，判斷TA的繞組有無匝間短路、勵磁特性曲線是否滿足保護裝置運行要求，以確保設備安全運行［ 3 ］。

1　TA勵磁特性試驗方法

TA勵磁特性試驗的接線如圖1所示。

圖1　TA勵磁特性試驗原理接線

在圖1中，N1為TA一次繞組匝數，N2為被測二次繞組匝數。在進行勵磁特性試驗時，TA一次繞組、以及除被測二次繞組外的其余二次繞組均應開路。根據圖1中試驗電源輸出電壓頻率f的不同，TA勵磁特性試驗方法可分為工頻法、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TA進行勵磁特性試驗。在試驗過程中，保持試驗電源輸出電壓的頻率f=50 Hz不變，調節其幅值，使得被測二次繞組中的電流逐漸上升，從而繪制被測繞組的勵磁特性曲線。

工頻法原理簡單，試驗電源易獲取且操作方便，但是為保證被測TA的安全，試驗電源的輸出電壓不能過高，一般不超過2500 V。然而，在特高壓輸變電工程中，高電壓、大變比的保護用TA在現場被大量采用。此類TA的拐點電壓較高，傳統的工頻法難以滿足試驗要求。

1.2直流法

直流法是通過試驗電源在被測二次繞組上施加一恒定的直流電壓，使磁通逐漸上升并達到飽和來確定TA的勵磁特性［ 4 ］。利用直流法進行TA勵磁特性試驗的過程是測量、記錄勵磁電流I，并對繞組兩端電壓進行積分得到磁通Φ。根據記錄的電流和磁通繪制TA各繞組的Φ- I勵磁特性曲線。

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

1.3變頻法

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

變頻法實現TA勵磁特性試驗的原理是勵磁阻抗Zm=j2πfLm的大小與電壓頻率成正比，因而降低頻率可以降低勵磁阻抗，從而能夠在較低勵磁電壓下獲得相同的勵磁電流。試驗頻率fx下實測試驗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的折算關系為：

采用變頻法進行TA的勵磁特性試驗的優點主要體現在以下幾個方面：（1）理論上可以滿足任何電壓等級下任意變比的TA勵磁特性試驗要求；（2）設備輸出容量低，無需大容量的升壓裝置，工作效率高，且不受試驗場所限制；（3）在低電壓下完成試驗，試驗過程中人身、設備安全得到保障。

2　1000 kV套管TA勵磁特性試驗方案

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，均為套管式TA。由于1000 kV套管TA的變比很大，其拐點電壓較高，尤其是1000 kV GIS套管TA的拐點電壓甚至高達27 000 V。為了滿足高電壓、大變比TA勵磁特性試驗的要求，得到完整、準確的TA勵磁特性曲線，在現場使用變頻法開展TA勵磁特性試驗。下面分別介紹變壓器/電抗器套管TA和GIS套管TA的勵磁特性試驗方法。

2.1主變/電抗器套管TA勵磁特性試驗

變壓器/電抗器套管TA勵磁特性測試接線如圖2所示。在進行某相套管TA試驗時，TA分析儀的2 個C1端接套管TA所測量繞組的S1端，TA分析儀的2個C2端接套管TA所測量繞組的S2端并接地。試驗時保證TA一次側、除被測二次繞組外的其余二次繞組開路。

圖2　變壓器/電抗器套管TA勵磁特性測試接線

2.2GIS套管TA勵磁特性試驗

將GIS套管TA兩端一次線斷開，并合上接地刀閘，按圖3所示方法接線，TA分析儀的2個C1端接TA所測量繞組的S1端，TA分析儀的2個C2端接TA所測量繞組的S2端并接地。試驗時保證TA一次側、除被測二次繞組外的其余二次繞組開路。

按上述接線方式接線完畢后，把被測TA繞組的銘牌參數輸入到TA分析儀，確認正確后，點擊開始即可進行相關試驗。

2.3試驗注意事項

1000 kV套管TA勵磁特性試驗屬于特殊性交接試驗，由于現場正在施工，試驗環境較為復雜，在試驗過程中尤其需要注意以下事項，以確保試驗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TA的設備安全。

圖3　GIS套管TA勵磁特性測試接線

（1）試驗人員應熟悉TA勵磁特性試驗的有關步驟和方法，提前做好試驗前的各項準備工作。

（2）進入試驗現場，試驗人員必須戴安全帽、穿絕緣鞋。

（3）試驗前應詳細了解現場情況，并與施工單位和TA廠家的技術人員進行充分溝通，檢查安全工器具、被測TA和測試儀器。

（4）合理使用臨時電源；保證TA分析儀金屬外殼接地良好；試驗線路接好后，必須檢查確認無誤后，才能進行試驗。

（5）試驗應在試驗負責人統一指揮下進行；試驗過程應呼唱，試驗人員在試驗過程中注意力應高度集中，防止異常情況的發生；出現異常情況時，應立即停止試驗，查清原因后決定是否繼續試驗。

（6）在作業單元遇交叉作業情況時，立即停止工作。直至協商完成后，并安排專人進行看護，方可繼續試驗。

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

3　勵磁特性試驗數據分析

依據GB 16847—1997［ 7 ］和GB/T 50832—2013［ 8 ］等標準，利用變頻法對1000 kV GIS套管的5P級和TPY級保護用TA開展了勵磁特性試驗。5P級和TPY級保護用TA的主要技術參數如表1所示。出廠試驗數據如表2所示。利用變頻法得到的現場試驗數據則如表3所示，勵磁特性曲線分別如圖4、圖5所示。

對比表2和表3可以看出，被測1000 kV GIS套管的5P級和TPY級保護用TA的出廠試驗數據與現場試驗數據的差別較小。下面主要針對被測5P級和TPY級保護用TA的拐點電壓進行分析。對于TPY級保護用TA，其額定二次極限電動勢Ea1為：

表1　1000 kV GIS套管TA主要技術參數

表2　1000 kV GIS套管TA出廠試驗數據

表3　1000 kV GIS套管TA現場試驗數據

圖4　CT121的勵磁特性曲線

圖5　CT125的勵磁特性曲線

式中：Kssc為對稱短路電流倍數；Isn為額定二次電流；RTA1為被測TPY級保護用TA的二次繞組電阻；Zbn1為被測TPY級保護用TA的額定負荷（功率因數取1）；Ktd為額定暫態面積系數。

按照單次勵磁（C-O）工作循環計算，則：

式中：ωs=314.16 rad/s，為同步角頻率；Tp=0.12 s，為1000 kV系統一次回路時間常數；Ts=3.9 s，為TPY級保護用TA的二次回路時間常數；t1=0.1 s，為斷路器首次切斷時間。計算可得Ktd約為22.0；由式（1）計算可得，Eal=18 616 V。

對于5P級保護用TA，其額定二次極限電動勢：

式中：Kalf為準確限值系數；RTA2為被測 5P級保護用TA的二次繞組電阻；Zbn2為被測5P級保護用TA的額定負荷（功率因數取1）。計算可得，Esl=1416 V。

對比式（2）、式（4）和表3所示的套管TA現場試驗數據可以發現，被測TPY級和5P級保護用TA的拐點電壓實際值大于其相應的額定二次極限電動勢；同時與出廠試驗數據和同類別TA的勵磁特性試驗結果進行比較，被測TPY級和5P級保護用TA符合運行使用要求。

4　結束語

開展保護用電流互感器的勵磁特性試驗，以檢驗其性能是否滿足運行要求，是特高壓輸變電工程的一項重要現場交接試驗。文中介紹了1000 kV 變壓器、電抗器和GIS的套管TA勵磁特性試驗方案；并指出需采取變頻法開展1000 kV 套管TA的勵磁特性試驗，以應對特高壓現場中高電壓、大變比TA拐點電壓高的實際情況。同時，從拐點電壓的角度對1000 kV GIS套管TA的現場試驗數據進行了分析。該研究成果可以為特高壓現場開展保護用TA的勵磁特性試驗提供借鑒。

參考文獻：

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［2］ 覃燕鳳. TA飽和特性對繼電保護的影響分析［J］. 電氣開關，2013（3）：96-99.

［3］ 梁仕斌，王建新. 電流互感器勵磁特性試驗及其新方法［J］. 繼電器，2007，35（S）：398-402.

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［8］ 全國變壓器標準化技術委員會. GB/T 50832—2013 1000 kV系統電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準［S］. 北京：中國計劃出版社，2013.

孔祥平（1988），男，江西上饒人，工程師，從事電力系統繼電保護研究工作；

高磊（1982），男，山東青島人，高級工程師，從事智能變電站調試、運維技術的研究工作；

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

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

王業（1984），男，江蘇南京人，工程師，從事直流輸電控制與保護研究工作。

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：TM452

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0060-04

作者簡介：

收稿日期：2015 -11-13；修回日期：2015-12-28