電力系統中高壓電氣試驗方案的改進與檢測

劉福玉

（重慶水利電力職業技術學院 電氣工程系，重慶 402160）

0 引 言

電力系統運行過程中，為了降低故障風險，確保系統安全運行，通常采用高壓電氣試驗監測設備電氣參數并檢測絕緣性能。傳統試驗方法因為不可預估的因素和試驗方案固有的缺陷等，不能全面檢測所有的潛在故障，容易造成試驗結果的偏離而引發誤判。此外，無法檢測設備故障，使設備攜帶故障運行，存在潛在的安全隱患，甚至將無故障設備誤判為故障設備，給電廠造成巨大的經濟損失。因此，提升電力系統運行安全性、故障檢測率和精準性，需改進高壓電氣試驗方案。鑒于發變機組短路對電力系統的危害，可通過短路試驗有效驗證其抗短路性能。本文以電氣啟動短路試驗為研究重點，深入剖析了傳統試驗方法中存在的耗時、耗力、二次開路和短路等問題，提出了優化改進措施，并檢驗了改進方案的應用效果[1]。

1 高壓電氣試驗的原理及條件

1.1 短路試驗原理

短路試驗是高壓電氣試驗的一種，采用制動設備短接發變機組，使轉子固定不變。短路狀態下，將三相調壓器的輸出電壓由零逐漸升高，并實時記錄測試性能，之后與原始性能數據對比分析，檢驗其故障狀態。短路電壓過高或過低代表漏抗過大或過小。通常，短路試驗中，三相變壓器在A、B、C相分別進行三次短路試驗。在不同相短路試驗中，A相、B相、C相有載分接開關分別置于最大分接、額定分接、最小分接處。以A相短路試驗的接線為例，原理如圖1所示，B、C相與之類似。

圖1 短路試驗接線原理

從繼電保護視角分析，發變機組短路試驗實質是利用一次設備加電流方法檢驗設備保護性能，同時通過檢驗二次回路接線正確性及完整性完成試驗。以往發電機組保護裝置多為電磁型、晶體管及集成電路型，短路試驗是在電流或電壓二次回路中并接電流表或電壓表，以鉗形相位表測試相位，但該試驗方案操作繁瑣、耗時耗力，經濟效益和安全性能不高，導致CT二次開路、PT二次短路的概率較大。隨著信息技術、現代軟硬件技術的發展，微型保護裝置得以應用，具有自檢性、軟件可擴充性和自適應性等特質。另外，統計分析短路試驗調試數據，可獲取保護二次回路接線的性能，從而判定是否存在短路問題[2]。

1.2 短路試驗的條件及方法

發變機組短路試驗需要滿足以下條件。

（1）需在發變機組新投產或大修后進行，且需要達到既定的質量標準及要求；

（2）已經完成發變機組和勵磁系統的靜態調試工作；

（3）發電機定、轉子回路，主副勵磁及勵磁回路絕緣符合試驗要求；

（4）發變機組氫氣、定子室內兩個冷卻系統分別測定為正常狀態；

（5）發變機組轉速平穩且維持在3 000 r/min；

（6）拆除發變機組保護裝置，并將失靈保護回路予以氣動。

傳統短路試驗中，通常在發變機組的輸出端安裝三相短路排，并切斷不相關的電路，其短路點如圖2所示的K1點。

圖2 短路點的設置

試驗方法有以下幾方面。

（1）首先退出差動保護壓板，分別增設接地、復壓過流保護。

（2）關閉消磁開關，定子電流上升至0.2 A。如果回路斷開出現放電或火花，立即關閉開關，并判定其致因。

（3）定子電流中增加額定電流，之后立即斷開，即將定子電流迅速降為0。這一過程中，標識各測試點的電流、電壓，由數據處理獲得短路曲線。與原始數據對比，判定發變機組的運行狀態。

（4）將定子中的電流值上升至1 A，檢驗、測定差動保護回路的運行狀態，判定回路中電流互感器極性的正確性。

（5）拆除K1處的短路排，在K3、K4處設置短路排。

（6）增加發電機電流，測定電力系統中關聯電流回路并繪制相量圖，有效檢驗差動保護及相關回路。

2 試驗方案存在的問題及相關改進

2.1 短路點現場設置不便

由短路試驗可知，它無法檢驗全部保護方向的正確性。發電機的出口不能安置短路排，導致檢驗效能存在既定缺陷。目前，發變機組中的所有連線均被封閉，不存在斷點，找不到短路點安裝短路排。而GIS技術能夠有效集成主變壓器高壓側、隔離、接地等開關和總線、TA、TV等，因此大部分電力系統均采用該技術。但是，高度集成性封閉了全部線路、出口，短路排，不能安置在主變壓器高壓側，導致高壓側的電流互感器無法帶電，短路試驗不能檢驗主變壓器保護方向的正確性，不能正確保護發變機組和主變壓器[3]，從而增加了電力系統的故障風險，且初期保護出口的階段，可能出現機器停機問題，嚴重影響電廠的經濟效益。

2.2 試驗改進方案

針對短路排現場設置不便的問題，本文根據實踐經驗和不同的實驗操作規程發現，若僅將短路排安裝在發變機出口位置，則主變壓器高壓側無法帶電，自然無法驗證發變機組及主編差動保護方向的正確性，從而影響試驗的校驗性。為彌補上述缺陷，完善短路試驗方案，驗證所有保護方向的正確性，可優化短路點設置方法。

2.2.1 安置在發變機組的出口開關處或TA處

結合上述短路排設置問題，可將短路排安裝在發變機組的出口開關處或TA處。改進的試驗方案可使電流互感器的兩端同時帶電，等同于發變機組常態下的負載運行，回路的二次流幅值一致且相互之間的相位差為180°。此時，制動電流等同于一次電流值，并大幅度高于差電流，因此可一次驗證保護回路方向的正確性。同時，差動保護中性點帶電，可使主變壓器高壓側電流互感器產生電流，且流經上述兩處的電流值近似于負載電流值。但是，鑒于TA變比的差異性，各TA的接線方法各不相同，造成變壓器兩側電流值保持特定比例關系的同時產生了些許差異。如果中性點電流的相位高于主變高壓側電流150°，此時完全忽略上述誤差，系統的制動電流將等于發變機組某一側的電流幅值，可驗證保護回路方向的正確性[4]。

2.2.2 采用接地刀閘取代短路排

GIS技術具有高度集成性，已經應用于大部分電力系統。因為電力系統投建安裝中，隔離開關處無法安裝短路排，所以可將短路排替換為接地刀閘，安裝在隔離開關處實現三險短路。試驗過程中，首先需繪制發變機組短路特性曲線，其次驗證差動保護方向的正確性。

3 改進試驗方案的應用檢測

為驗證改進試驗方案的效用性，可將三組設定為編號200517、200157、200146的接地刀閘（型號為JWGR-252，常規運行電流及耐受電流各為2 500 A、40 000 A），分別接入三相點的各個電相，之后接入隔離及主開關。驗證回路的正確性后，關閉接地刀閘、隔離及主開關，使其進入短路狀態，同時將發變機組的電流升為10 210 A的額定電流，且要檢驗接地刀閘承受的最大電流，測得主變壓器高壓側電流極值為930 A。對于這一數值，理論上可以承受，但因電流動態性，引入了分流方法，即將接地刀閘、隔離及主開關構成完整的支路，將三組組合接入分解電流，而流經各條支路的分流將控制在額定電流范圍內。實驗測定的第2、3組刀閘進入了幅值不同的電流分流，相關數據如表1所示。

表1 發變機組出口與主變高壓側TA處的電流檢驗數據

由表1可知，三組接地刀閘可分解流經主變壓器的電流。流經第一組接地刀閘的電流是最大的，流經第三路的電流比額定電流低很多。因此，采用三組接地刀閘替代短路排進行短路試驗，可更好地確保系統檢驗安全性。同時，為驗證差動保護方向的正確性，可分別斷開、關閉第一、第三支路，測定主變兩側差動保護TA二次電流幅值及相位。對比結果發現，傳統試驗采用鉗子、鉗形電流表測量，但要達到測量精度。流經差動保護電流互感器TA的二次電流值需限定在20 mA之上，主變差動保護TA和發變機組保護TA的變比應為1∶1 250，符合試驗要求的流經差動保護電流互感器TA的一次電流應高于250 A，即第三組刀閘中流經的電流幅值應在250 A之上。此外，為規避三相電流的分流，需關閉第三支路，且為了試驗安全，可將電流幅值設置在300～400 A。如果設定為350 A，則經電流互感器DE1的二次電流約為28 mA，達到了鉗形電流表的需求。綜合評定后，改進后的試驗方案可確保安全性，同時完成了各項測試指標，省略了短路排拆卸、安裝的工序，省時省力，降低了試驗成本，優化了檢測精度和可靠性，其優勢顯而易見[5]。

4 結 論

發變機組作為電力系統的核心，承載著電力生產、電壓升降轉換的任務。但是，短路問題是一直困擾其運行性能的瓶頸，通常會采用短路試驗驗證其抗短路性。然而，傳統短路試驗尚無法在開關或TA處安裝短路排，不能驗證所有保護方向的正確性。本文針對此問題，提出了有效解決方案，優化了實驗方案，并通過反推理方法驗證了改進實驗方案的高精準和效益性。