電流類在線監測裝置測量準確度和可靠性分析

鄒成伍，吳劍芳

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

電流類在線監測裝置測量準確度和可靠性分析

鄒成伍，吳劍芳

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

電流類在線監測裝置包括變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置、電纜護層環流在線監測裝置、變壓器中性點直流偏磁在線監測裝置等，針對在線監測裝置在入網檢測和生產現場調研中出現的一些問題，從結構原理、測量方法等方面進行了分析，旨在提高在線監測裝置的測量準確度和可靠性。

在線監測；鐵芯接地電流；中性點；直流偏磁；護層環流

0 引言

目前各類電流在線監測裝置在電網中應用廣泛，如變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置是判斷變壓器鐵芯多點接地故障的主要手段之一，電纜護層環流在線監測裝置是實現金屬護層電流實時監測、確保電力電纜安全穩定運行的重要依托，變壓器中性點在線監測裝置在監測和分析直流偏磁方面發揮著重要的作用。然而，在線監測裝置在應用中也存在不少問題，特別是測量準確度和可靠性方面不夠理想，部分裝置的監測數據可信度較差[1]。因此，亟需探索提高在線監測裝置測量準確度和可靠性的方法。

1 電流類在線監測裝置概況

電流類在線監測裝置主要由電流采樣裝置和IED（智能電子設備）構成，影響在線監測裝置整體準確度和可靠性的原因主要在于電流采樣環節的精度，以及主機對數據的處理，如測量范圍裕量、預警閾值等。以下根據批量電流類在線監測裝置入網檢測試驗結果和數據，結合相關理論方法和現場實際，對影響在線監測裝置測量準確度和可靠性的因素進行了較全面的總結和分析，并提出改進、優化的方法和建議。

2 電流采樣環節優化

電流采樣環節是在線監測裝置數據的源頭，其準確度和可靠性在很大程度上決定了在線監測裝置整體的準確度和可靠性。

大部分裝置采用單匝互感器作為電流傳感器，其外殼可以采用不銹鋼材料全密封設計，具有防水防銹功能。傳感器和數據采集模塊之間采用硬件隔離，以確保裝置具有較高的抗干擾能力和可靠性。傳感器的形式、形狀各異，有開合型、有密閉型，也有圓形、方型，無論何種形式的傳感器安裝后都不能影響變壓器的運行和維護。

單匝互感器類似于鉗形電流表，雖然使用方便，成本較低，但是由于其結構和原理的原因，測量精度較低，且隨機性較大。另外，由于現場環境往往存在很強的電磁干擾，會極大地干擾電流傳感器的測量準確度，因此需要尋求更加可靠的采樣方式。

2.1采用分組傳感器

采樣環節采用分組傳感器即是一種改善效果較為明顯的方法。每臺裝置配置2個傳感器，通常小量程的傳感器用于采集1 A以下的小電流，大量程的傳感器用于采集較大電流，常用的接線方式如圖1所示。

圖1 采用分組傳感器的接線原理

這種方式下，只要解決好量程自動轉換、避免采集沖突等問題，電流測量準確度和可靠性即可得到明顯的改善。表1為分別采用傳統電流互感器和分組電流互感器的2批變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置檢測結果。

表1 分組傳感器的改善效果

2.2 直接對測量回路進行標定

串入采樣電阻的方法在實際應用中有一定的局限性，因而提出一種改進形式，直接對回路進行標定，接線如圖2所示。在待測量的接地線或者中性線上選取一段,夾上電壓電流線，首先通過在線監測裝置主機內的標準源，標定出其電阻值；再通過測量夾子之間的電壓值，進而得到要測量的電流值。通過屏蔽電纜傳輸采集到的電流量，采用相應的算法，根據變換后離散的采樣值計算出電流基波幅值，從而提高采集和運算精度。

這種方法原理簡單，實際應用效果理想。武漢某廠家基于類似原理生產的變壓器中性點在線監測裝置，用于監測直流偏磁，其在試驗室檢測結果見表2。

圖2 直接對測量回路進行電阻值標定的接線方式

表2 變壓器中性點監測裝置入網檢測結果

該產品的入網檢測數據與采用傳統電流傳感器的寧波某廠家產品檢測數據對比見表3。

表3 采用電阻標定方法的改善效果

由表2和表3可知：采用電阻標定法的監測裝置，具有較高的合格率；標準偏差小，數據穩定；誤差較小，準確度高。

2.3 串入采樣電阻

由于安裝現場往往存在強電磁干擾，對電流傳感器的影響非常明顯。因此，可以考慮串入采樣電阻，即在測量回路中串入一個穩定、精密的純電阻，通過測量采樣電阻兩端的電壓來間接得到電流值，原理如圖3所示。

當220 kV變壓器鐵芯串接電阻小于500 Ω，110 kV變壓器鐵芯串接電阻小于1 kΩ時，不會影響變壓器的運行[7]。為保證所測得的電流信號真實可靠，使新加的提取信號設備對被監測設備運行狀態的影響盡可能小，綜合考慮可選用2 Ω的純電阻。

圖3 在測量回路中串入采樣電阻

2.4 加裝補償線圈

電磁干擾的主要原因是：變壓器內部存在通過空氣或絕緣油閉合的漏磁通，它的大小取決于負載電流的大小。由于漏磁通難以做到完全屏蔽，它會通過箱體法蘭等氣隙處發散到箱體外部，而氣隙處的磁阻很大，導致發散至變壓器箱體的磁場數值仍然較為可觀，會對鐵芯引下線處的磁場帶來較大畸變，造成鐵芯接地電流測量不準確。因此，在同一鐵芯接地線路上，不同位置測出來的接地電流值可能差異很大。

在測量變壓器鐵芯接地電流時，針對上述空間電磁干擾的影響，可采用加裝補償線圈的方式解決：在相同測量位置處加裝一個補償線圈，其產生的電流方向和采樣線圈的電流方向相反，以抵消空間磁場產生的干擾電流，從而得到鐵芯接地電流的真實值，實現裝置的抗干擾功能。這種方式能夠大大抵消空間電磁場帶來的干擾，得到鐵芯接地電流的真實值。

3 裕量和閾值

3.1 設定合理的裕量

根據國網技術規范[6]，變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置的測量范圍為1 mA～10 A，浙江省電網對測量精度要求的范圍為50 mA～1 A[7]。因此，測量范圍的上下限分別為1 mA和10 A，測量精度要求可以適當放寬，但不允許出現偏差極大的值或者完全錯亂的異常值，以免造成裝置的誤告警和運維人員的誤判。

上海某廠家生產的變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置，總計165臺，首檢時10 A測試點誤差較大的有58臺，異常值有5臺。

北京某廠家生產的變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置，總共76臺，首檢時1 mA測試點誤差較大的有19臺。

因此，在線監測裝置在電流采樣設備選用、IED的設計和軟件編寫時，要考慮留有測量范圍的裕量，在測量范圍上下限時，測量精度要求可以適當放寬，但不能出現偏差極大的值或者錯亂的異常值，以免造成裝置的誤報警和運維人員的誤判。

3.2 設定合理的預警閾值

在線監測裝置需要能設置預警閾值，當檢測值超過預警閾值時，監測裝置能發出預警信號并采取相應措施。由于現階段監測數據的積累還不夠充分，未達到制定分析判斷標準的要求，預警閥值的設置還缺乏充分的依據[4]。大部分監測裝置都利用由計算公式和數學模型得出的數據進行預警預測，與實際運行存在一定的差異。

以變壓器鐵芯接地電流監測裝置為例，根據《電力設備預防性試驗》規程[5]，運行中鐵芯接地電流一般不大于100 mA。因此，變壓器鐵芯接地電流監測裝置默認的預警閾值一般預設為100 mA。隨著直流特高壓工程的投運，直流偏磁現象對部份變電站的影響較為明顯。在線監測裝置測量值一旦超過設定的預警值，勢必會引起運維人員的高度重視，甚至進行非計劃的停電檢修，但是往往停電后進行試驗卻發現鐵芯絕緣良好，沒有發生多點接地等故障，造成了不必要的停電，造成的直接損失和間接損失很大。

因此，這也對在線監測裝置的預警閾值設定和歷史數據分析功能提出了更高的要求。目前需要不斷積累監測數據量，進一步完善在線監測系統軟件，使其能夠更準確地處理監測數據，得到貼近運行實際的預警閾值，提高狀態分析的準確性和智能化水平。

4 相關的輔助措施

4.1 設置限流單元

由于國網技術規范對限流單元不是強制性要求[6]，在入網檢測中發現，部分在線監測裝置未配置限流單元，或者配置的限流單元不能完全滿足規范的建議要求。規范中建議，一般限流電阻投入的電流值設定為100 mA。未設置規范的限流單元的監測裝置，經常不能正確實現電阻投切和相關的預警、保護動作；另外，這類裝置在電阻投切的臨界值附近，極易發生測量不準確或者出現異常值的情況。如上海某廠家生產的未配置規范限流單元的變壓器鐵芯接地電流監測裝置首檢結果如表4所示。

表4 未配置規范限流單元的監測裝置首檢情況

杭州某廠家生產的電纜護層環流監測裝置，采用8個有線10K線尾電阻防區，相關技術指標符合國網技術規范要求，首檢情況如表5所示。

表5 配置規范限流單元的監測裝置首檢情況

對比表4、表5可以看出，配置符合規范的限流單元的在線監測裝置擁有更好的測量準確度和穩定性。因此建議，電流類在線監測裝置都應配置符合規范的限流單元。

限流單元主要由限流電阻、繼電器、電壓保護單元等組成，串接在回路中，一種典型的限流單元如圖4所示。控制投、切限流電阻的電流值可根據現場實際運行情況分別設定；投、切限流電阻，不應導致死循環；限流單元應具有過壓保護功能，當電壓大于設定值時，保護單元應可靠動作。所選的電阻功率要適當大，防止發熱燒壞。同時，這種串接電阻的方法，能防止接地故障消失后造成鐵芯出現高的懸浮電位。

圖4 限流單元電路

4.2 抗干擾技術

為了抑制變化電磁場的干擾，IED可采用金屬外殼，并將外殼良好接地；同時將系統地浮空，這樣可提高抗共模干擾的能力。信號通過屏蔽線連接到IED上，信號電纜可采用鍍鋅管等加以保護。

電路保護措施方面，可在運算放大器輸入電路前加TVS管（瞬變電壓抑制二極管），前置放大部分采用低溫漂、高精度型放大器及高精密電阻，保證模擬放大通道的穩定性。同時應考慮電磁兼容設計，針對不同的干擾形式分別采取不同的措施，以消除能量反射、駐波等問題；輸出端口設置共、差模濾波器，以保證通信良好。主機軟件檢波采用脈沖分時復用技術和脈寬檢波算法等，有效濾除裝置運行過程中產生的各種干擾。

5 結語

未來在線監測裝置將朝著具備自檢測、自診斷功能和智能化的方向發展。通過從電流采樣環節、閾值和裕量設置、主機和軟件設計及抗干擾等環節進行優化，可提高電流類在線監測裝置的測量準確度和可靠性，使在線監測裝置能夠發揮更加切實、高效的作用。

[1]岳靈平，張志亮，俞強，等.輸電線路在線監測系統的運行可靠性分析[J].浙江電力，2014，33（6）∶67-71.

[2]鄔小波，彭珣，郭紹偉，等.變壓器鐵芯接地電流檢測裝置應用研究[J].華北電力技術，2013（8）∶38-42.

[3]皮志勇，熊飛輪，皮志軍，等.變壓器鐵芯接地電流在線監測裝置的開發[J].湖北電力，2006，30（4）∶26-28.

[4]韋舒天，汪里，章旭泳.特高壓直流輸電線路在線監測系統的應用分析[J].浙江電力，2012，31（4）∶57-59.

[5]DL/T 596-1996電力設備預防性試驗規程[S].北京：中國電力出版社，1996.

[6]Q/GDW 1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監測裝置技術規范[S].北京：中國電力出版社，2014.

[7]曾國.變壓器鐵心經小電阻接地對介損試驗的影響[J].變壓器，1999，36（6）∶38.

[8]王海歐，林凌.變電站接地線在線監測系統的研究與開發[J].浙江電力，2015，34（6）∶25-26.

[9]王凱奇，張華，沈立群，等.復雜環境下超高壓輸電線路的工頻磁場特性[J].浙江電力，2016，35（12）∶53-55.

[10]夏強峰，袁均祥，屠曄煒，等.輸電線路交流感應電壓消除裝置的研制[J].浙江電力，2015，34（7）∶66-68.

（本文編輯：方明霞）

Accuracy and Reliability Analysis of On-line Current Monitors

ZOU Chengwu，WU Jianfang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

On-line current monitors consist of on-line monitoring device of transformer core earthing current, on-line monitoring device of cable sheath circulation，online monitoring device of DC bias of transformer neutral point，etc.For problems of online monitoring devices in grid access testing and investigation in the production field，the paper analyzes the structures and measuring methods to improve the accuracy and reliability of on-line current monitoring device.

on-line monitoring；core earthing current；neutral point；DC bias；sheath circulation

TM732

B

1007-1881（2017）01-0023-04

2016-06-22

鄒成伍（1990），男，助理工程師，從事電氣測量的檢定檢測及研究工作。