便攜式戶外消諧器帶電短接裝置的研制

朱詩慧，李陽

(國網寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411)

目前，在35 kV及以下電壓等級電網中廣泛采用中性點非有效接地系統，主要包括中性點不接地、經電阻接地、經消弧線圈接地和經消諧器接地等多種運行方式。為保護電磁式電壓互感器的安全運行，抑制鐵磁諧振過電壓，通常采用電壓互感器一次側中性點經消諧器接地的方式。實際在系統容性電流測試作業中，由于消諧器的存在，會干擾到電力線路對地電容的測量結果。為保證測量結果的準確性，在遇到這種情況時，就需將消諧器停電短接。當涉及到兩段及以上母線容性電流測試時，會產生頻繁的倒閘操作，嚴重影響測試的工作效率。研制了一款可在設備帶電運行狀態下將消諧器短接的裝置，可提高系統容性電流的測試效率。

1 現狀分析

1.1 測量方法

變電站系統容性電流通常采用電壓互感器二次開口三角繞組異頻信號注入法間接測量(見圖1)，該方法測量操作簡單，測量過程中不涉及設備一次高壓側，安全風險較低[1]。

圖1 電壓互感器二次開口三角繞組異頻信號注入法測試原理

在實際測量過程中，為了消除工頻信號的干擾，從系統母線電壓互感器二次開口三角繞組處注入一個非50 Hz的異頻電流信號i0，在電壓互感器高壓側感應出一個按照變比減小的電流，此電流為零序電流[2]，即其在三相繞組中的大小和方向保持相同，因此它在電源和負荷側均不能流通，只能通過電壓互感器中性點和三相對地電容形成回路，簡化電路如圖2所示。

圖2 簡化電路

由圖2可知，通過檢測感應信號就可以測量出三相對地電容值3C0，再根據公式I=3ωCOUφ(Uφ為被測系統的相電壓)，即可計算出母線的電容電流。如果此時中性點消諧器未短接，則測量回路不通，無法進行電容電流測量。

1.2 現狀分析

為了抑制鐵磁諧振過電壓，在35 kV及以下系統母線上，絕大部分電磁式電壓互感器一次中性點接有消諧器(見圖3)。

圖3 電壓互感器運行方式電路原理

因此，在正式測試開始前，首先要申請調度部門將母線電壓互感器退出運行，然后在設備停電狀態下使用專用的測試接地線將高阻消諧器短接，最后再將母線電壓互感器恢復運行，此時方才完成準備工作，具備正式測試條件[3]。停電短接消諧器會使運行人員倒閘操作步驟大幅度增加，嚴重影響現場工作效率。以測量某110 kV變電站35 kV系統容性電流為例，其一次主接線見圖4。

該系統35 kV母線為戶外單母分段接線，正常時兩段母線分列運行，兩臺母線電壓互感器中性點均接有消諧器，要測量出兩段母線容性電流，其操作步驟如下：

(1)并列前檢查系統是否符合并列條件，需要檢查上級兩臺主變檔位，聯結組別、短路電壓、容量比等條件是否合適，不具備條件時則不能進行測量；

(2)退出備自投跳302、302壓板，備自投合300壓板，投入閉鎖備自投壓板；

(3)合上母聯300開關進行電壓一次并列；

(4)進行電壓二次并列；

(5)35 kV I母電壓互感器由運行轉檢修，人工短接消諧器；

(6)35 kV I母電壓互感器由檢修轉運行；

(7)35 kV II母電壓互感器由運行轉備用；

(8)在35 kV I母電壓互感器開口三角處進行測量，得出整體容性電流；

(9)35 kV II母電壓互感器由備用轉運行；

(10)進行電壓二次解列；

(11)斷開母聯300開關，進行一次電壓解列；

(12)在35 kV I母電壓互感器開口三角處進行測量，得出I段系統容性電流；

(13)合上母聯300開關進行電壓一次并列；

(14)進行電壓二次并列；

(15)35 kV I母電壓互感器由運行轉檢修，人工拆除消諧器短接線；

(16)35 kV I母電壓互感器由檢修轉運行；

(17)進行電壓二次解列；

(18)斷開母聯300開關，恢復系統原有運行方式。

可以看出，整個測量過程總共需要18個步驟的操作，兩臺電壓互感器重復停送電，母聯開關一、二次頻繁解列、并列，步驟非常繁瑣復雜。如果系統中還接有消弧線圈或者接地變壓器，測試前還要將其退出運行，這樣操作步驟將會增加到20步以上，給運行操作人員和試驗人員帶來極大的負擔。為了解決上述問題，本文研制了一款可帶電短接消諧器的裝置，可以有效避免頻繁倒閘操作，提高容性電流測試效率。

圖4 某110 kV變電站一次主接線

2 便攜式消諧器帶電短接裝置的研發

2.1 設計思路

針對檢測電容電流需停電短接消諧器這一問題，本文提出采用在線監測中性點電壓的方式判斷消諧器是否可以進行短接，并通過無線傳輸技術控制消諧器短接裝置的開端。

裝置實現在電壓互感器帶電運行的狀態下，通過可鎖止的接線鉗將處于斷開狀態的裝置可靠連接在電壓互感器中性點與地之間，當電壓檢測模塊檢測到中性點電壓不超過設定閾值后，試驗人員通過無線遙控器對裝置進行合閘，實現帶電短接消諧器。

圖5 短接裝置連接

圖6 短接裝置內部結構

2.2 硬件設計

2.2.1 電壓電流監測模塊

中性點電壓電流經阻容分壓后進行降壓、降流，再輸入至電壓電流采樣電路。其內部采樣基準電壓選為2.5 V，因此要將輸入的采樣電壓限制在2.5 V之下[4]。電流采集采用康銅絲，首先考慮效率問題，康銅絲不能選擇過大，同時主控模塊基準電壓為2．5 V，康銅絲阻值選取約為0.1 Ω，電壓電流采樣電路如圖7所示。

圖7 電壓電流采樣電路

電壓電流的準確采集利于試驗人員判斷短接裝置是否能夠閉合，對其進行消諧器帶電短接，若電壓不超過設定閾值，則可以閉合裝置進行消諧器短接，實現中性點與大地形成回路，方可進行電容電流測試；若電壓超過設定閾值，則證明系統可能發生鐵磁諧振故障，不具備電容電流測試條件，即不可閉合短接裝置。

2.2.2 過流保護模塊

電容電流測試過程中，需要短接消諧器實現中性點和地形成回路，若系統發生單相接地故障時，會在回路中產生過電流，危及設備安全運行，因此裝置設計有中性點過電流保護模塊。過電流保護模塊包括電流采集單元、比較單元、輸出單元、繼電器。電流采集單元用于檢測中性點的電流，即該裝置的接地電流，并提供至比較單元。比較單元對外部信息與預設的參考電流進行比較，并依據比較結果向輸出單元發送對應電流輸出信息。輸出單元將所述電流輸出信息提供至控制模塊，控制模塊依據所述電流輸出信息生成中性點電流信息，若大于參考電流值，該模塊觸發繼電器，斷開裝置內真空斷路器。

2.2.3 人機交互模塊

人機界面模塊的主要功能是對中性點電壓、電流數據的記錄顯示、通信控制等功能[5]。該模塊包括主控模塊、無線傳輸模塊和遙控裝置，無線傳輸模塊與主控模塊連接，當電壓監測模塊檢測到中性點電壓不超過設定閾值時，可使用遙控裝置通過無線傳輸模塊觸發主控模塊，閉合裝置內部真空斷路器，實現帶電短接中性點消諧器；當電壓異常時，可通過遙控裝置斷開裝置內部真空斷路器，避免系統發生鐵磁諧振產生過電壓帶來的安全隱患。

2.3 軟件設計

該裝置軟件運算流程如圖8所示。

圖8 軟件流程

2.4 電壓監測性能測試

完成裝置設計后，對其進行精度測試。對裝置輸入相同頻率和不同的電壓，對其輸出電壓進行測試，測量結果如表1所示。

表1 相同頻率、不同電壓精度測試

從表1中可以看出，測量結果誤差均小于1%，符合設計要求。

對裝置輸入不同頻率和相同電壓，用標準的220 kV交流電接入設備，選擇頻率為46 Hz至55 Hz之間，測量結果如表2所示。

表2 相同電壓、不同頻率精度測試

從表2中可以看出，測量結果誤差均小于1%，符合設計要求。

3 應用效果

現場使用時，首先將短接儀器與消諧器兩端通過可鎖止的高空接線鉗進行連接，將處于斷開狀態的短接裝置可靠連接在PT中性點與地之間；試驗人員通過電壓監測數值判斷短接裝置是否可以進行合閘，當電壓數值監測為零時，試驗人員通過遙控裝置進行合閘，實現消諧器的短接。裝置使用便捷，大幅提高電容電流測量工作效率。

(1)實現實時監測功能。利用電壓監測模塊快速準確地檢測中性點電壓，實現對電壓的實時監測，使試驗人員直觀明了地判斷出三相電壓是否平衡，是否可進行電容電流測試。

(2)實現帶電短接消諧器。通過無線遙控器遠距離遙控裝置進行合閘，減免傳統倒閘操作短接消諧器的步驟，測試一段35 kV戶外母線容性電流工作時長由原來的156.6 min降低至31.2 min，如表3所示。

表3 電容電流測試工作時長統計

(3)可實現過流保護。當檢測到電流數值增大時，裝置能夠實現自動斷開裝置內置斷路器，保證設備的安全穩定運行。

4 結 論

便攜式消諧器帶電短接裝置的使用具有安裝簡便、安全可靠等特點，其替代傳統的停電短接消諧器，能顯著減少戶外系統容性電流測試操作步驟，避免電壓互感器及母聯開關頻繁停送電帶來的安全隱患，在提高工作效率、減少用戶停電時間的同時降低了生產人員勞動強度，節省人力成本，適合在電力行業內被廣泛推廣。