零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統的研究與應用

廣東電網有限責任公司中山供電局 袁拓來 邱天怡 李新海 范德和 舒 昶 曾令誠 劉國徽

隨著電網系統多元化發展，大量的變電站10kV系統中性點接地形式由傳統的不接地或經消弧線圈接地的接地方式，改造成經小電阻接地方式或消弧線圈并小電阻的接地方式，使10kV線路的零序電流由僅參與選線轉換到目前直接參與到線路保護快速跳閘邏輯中，零序電流回路的重要性大大提升，也對零序電流回路的完整性提出了更高的要求。但零序電流回路在系統正常運行時無電流，在發生10kV零序電流保護電流二次回路斷線時，保護無法監視、預警零序電流二次回路異常[1]。

近幾年電網系統已發生多起當線路發生單相永久性接地時、因零序電流二次回路斷線導致保護越級跳閘和大面積停電的事故。線路保護發生接地故障時，保護裝置二次回路中的零序電流超過定值限定的電流值，保護本應該立即動作及時隔離故障，但若線路的零序電流互感器及其二次回路故障，此時保護裝置無法采集線路中的電流，線路保護拒動，保護將越級跳閘，造成大面積停電，嚴重影響10kV電網的穩定運行。

但目前的檢測方法往往需要停電檢測，如文獻[2]設計了一種利用一次電流檢驗電流互感器二次回路的方法，總結了現有變電站的電流檢測方法，但這些檢測方法不能在線路運行時實行，無法解決現有電網負荷量大、停電檢修困難的問題，費時費力且影響供電可靠性；為了在不影響電網的正常運行的同時也可以實現對零序互感器及其二次回路的檢測，一些專家和學者研究了一種不停電在線檢測裝置，如文獻[3]設計了一種零序電流互感器不停電故障測試裝置，能夠實現對零序電流互感器及其二次回路不停電檢測，但這類裝置主要是通過人工檢測，每次只能檢測一個間隔，效率低、風險高，缺少對全站的實時智能監控，無法實現和其他系統的數據交互和數據反饋。

為了解決零序電流互感器及其二次回路不停電在線檢測的交互性與智能化水平不高、各系統間相互獨立的問題，本文設計了零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統，實現了對全站的兩倍工頻電流的精準輸出及精確采集、光纖數據有線傳輸、巡檢策略制定、自動生成整站檢測報告等功能，有效解決了現有站內10kV間隔多、零序電流保護拒動且零序電流回路難以實時監控等難題。

1 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統結構與功能設計

1.1 系統結構設計

零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統主要由兩倍工頻電流綜合處理裝置、光纖有線數據傳輸、智能終端、保護裝置、后臺智能主站等部分組成，如圖1所示。變電站10kV電網每個線路間隔都配置了零序電流互感器，線路正常運行時三相電流平衡，零序電流互感器一次側零序電流為0，此時保護裝置采集的二次電流也為0。若在10kV間隔線路零序電流互感器一次側輸出一個較大的高頻電流時，可在線路正常運行的情況下模擬升流試驗，實現了零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測[4]。

圖1 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統接線圖

兩倍工頻電流綜合處理裝置。該系統為了保障兩倍工頻電流的穩定輸出、采集，設計了集告警、應用于一體的兩倍工頻電流綜合處理單元，固定安裝在各個間隔的零序電流互感器側，該裝置實現了輸出兩倍工頻電流和采集輸出的零序電流互感器一次電流，并能夠接收終端系統的指令。

數據傳輸。兩倍工頻電流綜合處理裝置與智能終端之間距離較遠，為了更好的實現遠距離傳輸數據，該系統通過交換機和光纖有線傳輸實現了兩倍工頻電流綜合處理裝置和智能終端之間的數據交互。同時該系統通過正向隔離裝置和反向隔離裝置與自動化通訊系統和自動化告警系統實現不同安全區域之間的數據交互。

智能終端。該系統智能終端可根據變電站的實際情況設定巡檢策略，確定待巡檢間隔，并采集該間隔兩倍工頻電流綜合處理裝置輸出的一次電流和保護裝置經電纜傳輸的二次電流，計算零序電流互感器實際變比并生成智能檢測報告，根據檢測報告進行智能診斷，并在零序電流互感器及其二次回路存在異常時及時告警。

1.2 系統功能設計

零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統的工作流程圖如圖2所示。智能在線檢測系統的智能終端設置的巡檢模式按變電站的檢修計劃分為手動巡檢、周期巡檢、自定義巡檢等不同優先級，并將巡檢指令通過光纖有線傳輸裝置發送至巡檢任務中相應線路間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置[5]。兩倍工頻電流綜合處理裝置接收到檢測信號后向零序電流互感器輸出100Hz的高頻電流，并對零序電流互感器一次回路中的電流進行采集和綜合處理，判斷兩倍工頻處理裝置是否運行良好，同時兩倍工頻處理裝置將輸出的一次高頻電流值經A/D轉換后傳送給智能終端。二次電流由零序電流互感器的二次回路流入到保護裝置，再由保護裝置經電纜至智能終端，智能終端結合一次電流、二次電流、保護限定的變比綜合判斷線路間隔的零序電流互感器及其二次回路情況并生成巡檢報告。

圖2 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統的工作流程圖

該系統主要實現以下功能：

智能終端多元化巡檢功能。其主要針對變電站線路間隔負荷量大、難停電、待檢修間隔多，因此根據變電站線路間隔負荷量情況制定一套智能、靈活的檢修計劃。負荷量大的線路間隔設置的優先級高，負荷量低的間隔設置的優先級低，根據檢修計劃的優先級制定定期巡檢策略，設置檢修線路和檢修時間，在遇到現場工作需要和突發情況需要立即對零序電流互感器及其二次回路檢測時，可自定義設置手動巡檢，確認好巡檢線路及巡檢時間后，智能終端將發送巡檢指令給兩倍頻電流綜合處理裝置，實現智能檢測[6]。

兩倍工頻電流智能管理功能。兩倍工頻電流的生成、傳輸、采集、置檢等功能是由兩倍工頻電流綜合處理裝置實現的，它包含了電流產生模塊1、電流采集模塊2、數據處理器3、通訊及告警模塊4的4個部分。在數據處理器3接收到檢測信號后，控制電流產生模塊1輸出100Hz高頻電流，此高頻電流經零序電流互感器T1流入一次電流回路，電流采集模塊2實時采集裝置輸出給零序電流互感器的高頻電流并經A/D轉換后將數據發送至數據處理器3，在數據處理器3進行裝置的校驗，確認電流產生模塊1輸出的電流和電流采集模塊2采集的電流在誤差允許范圍內是否相等（允許誤差≤0.5%），若輸出和采集的電流值在誤差允許的范圍內相等，則裝置運行良好，將裝置輸出給零序電流互感器的一次電流值傳輸至智能終端，若是不相等則通訊及告警模塊4接收到數據處理器3的異常信號，變電站現場立即告警響應，并將異常信號傳輸給智能終端[7-8]。

智能診斷功能。兩倍工頻電流綜合處理裝置輸出100Hz的高頻電流時，經零序電流互感器二次回路流入保護裝置的端子排，再由保護裝置流出后經電纜流入到智能終端，在智能終端A/D轉換后得到該線路間隔的二次電流值，再與該間隔的高頻一次電流值進行變比計算，計算出間隔線路的測量變比，判斷間隔線路的測量變比和保護定值限定的變比在誤差允許范圍內是否相等（允許誤差≤0.5%），若是相等則智能終端輸出檢測報告，反饋檢測正常，信號復歸，回到初始狀態；若不相等則智能終端反饋結果不正常，并向測控告警系統發送硬接點告警信號，點亮本裝置的告警指示燈，并通知變電站管理人員零序電流互感器及其二次回路存在異常，需立即處理[9]。

2 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統關鍵技術

2.1 在線檢測系統的智能終端

零序電流互感器及其二次回路不停電智能檢測系統的智能終端運行結構圖如3所示，主要由交流電流采集模塊1、交流電流采集模塊2、數據綜合處理模塊、人機交互模塊、通訊及告警模塊、數據交互模塊、電源模塊等部分組成。

圖3 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統的智能終端運行結構圖

零序電流互感器及其二次回路不停電智能檢測系統的智能終端運行原理如下：

電流采集模塊：交流采集模塊1采集來自工頻電流綜合處理裝置經光纖線路流入的一次電流，交流采集模塊2采集來自10kV保護裝置經電纜線路流入的二次電流，并分別將數據信息傳輸給數據綜合處理器。

數據綜合處理模塊：將采集來的數據進行變比運算、智能判斷、自動錄入并生成整站檢測報告，并將數據傳輸至人機交互模塊、數據交互模塊、通訊及告警模塊。

人機交互模塊：可以根據變電站實際情況設置巡檢模式、制定周期巡檢時間、計劃定期巡檢和特殊特巡。通過周期巡檢確認在周期時間內的零序電流互感器變比及其二次回路情況，保持周期巡檢數據作為歷史數據，在執行特殊任務和定檢計劃下，需要確認零序電流互感器及其二次回路情況時，進行定期巡檢和特殊巡檢，多次測量后將相關變比、巡檢時間（精確到秒）等數據傳輸給數據綜合處理模塊。

數據交互模塊：通過防火墻與生產系統進行數據交互，同時對數據綜合處理模塊生成的巡檢報告進行信息判別，并將與作業相關的數據信息傳送給生產系統，在保護定檢、設備試驗時提供有利的數據支持。

通訊及告警模塊：在接收到數據綜合處理模塊發出的告警指令后立即告警響應，并將告警信息通過硬結點反饋給廠站綜合自動化通信系統、測控告警系統，提醒變電運行人員及時發現零序電流互感器變比失準、二次回路接觸不良或開路等缺陷，并及時安排消缺，排除安全隱患。

2.2 兩倍工頻電流綜合處理技術

為了實現可以對變電站任一間隔線路進行高頻電流升流試驗在每個線路間隔的零序電流互感器旁安裝兩倍工頻電流綜合處理裝置，并將裝置的升流線固定安裝在零序電流互感器內。兩倍工頻電流綜合裝置的原理圖如圖4所示，裝置內的各個模塊之間通過射頻信號進行數據傳輸，并將數據信息匯總到數據處理模塊進行綜合分析[10]。該裝置可實現兩倍工頻電流的精準輸出及精確采集，其技術特點如下：

圖4 兩倍工頻電流綜合處理裝置原理圖

兩倍工頻電流發生技術。兩倍工頻電流產生模塊接受數據處理模塊的控制命令，輸出相應的電流集成應用于小信號電流熔斷器并發生、輸出兩倍工頻電流。采用兩倍工頻電流發生技術是為確保設備正常運行，兩倍工頻電流即100Hz電流，由于微機保護采樣板配置了模擬低通濾波器(ALF)，該電流輸入至10kV保護裝置時可被保護裝置濾波屏蔽，確保檢測零序電流互感器及其二次回路時不影響10kV保護裝置零序電流保護正常運行[10-11]。

輸出限流技術。兩倍工頻電流綜合處理裝置配有輸出限流功能，同時將電流采集模塊采集的電流值與設定限流定值比較，當采集電流值比限流定值大時立即閉鎖裝置電流輸出并告警響應，在升流試驗時，設置輸出的兩倍工頻電流允許的最大值為15A，遠小于10kV間隔零序電流保護60A～75A(一次值)的定值，有效避免零序電流互感器升流時低通濾波器故障導致的零序電流保護誤動。限制電流的大小小于零序過流保護的一次定值，將不會影響到原保護，防止保護因加量導致的保護拒動或則勿動的風險[12]。

基于霍爾元件的電流采集技術。電流采集模塊基于霍爾元件采集零序電流互感器電流，電流采樣相對誤差≤0.5%，量程一般為0.0～20A，實現了兩倍工頻電流的精準輸出及精確采集。

2.3 智能檢測技術

智能檢測技術需要對全站的數據進行實時智能監控和采集，各個線路間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置可以對零序互感器傳輸兩倍工頻電流，此時一次側的電流可通過光纖線路經高壓室的光交換機傳送給系統智能終端，同時在升流時零序互感器二次電流經電流回路至保護裝置，保護裝置輸出的二次電流經電纜傳輸至智能終端[13-14]。

系統智能終端將收集到全站各個間隔的信息進行數據綜合處理，可根據一次電流及二次電流的采樣值，采集判別完成零序電流互感器變比核算：

N1=I1/I2(N1是變比，I1是一次電流，I2是二次電流），自動完成零序電流互感器變比計算，判斷各個間隔終端的零序電流互感器變比與保護定值變比在誤差范圍內是否相等（允許誤差≤0.5%），若相等則零序電流互感器及其二次回路運行正常，若變比不相等或誤差較大則零序電流互感器及其二次回路可能存在故障和異常狀況，需立即檢修。同時，智能檢測采用閉環反饋技術，當變比不相等或誤差較大時智能終端發送閉鎖指令，立即閉鎖電流輸出裝置，確保零序電流互感器不停電升流工作的安全可靠。

檢測完畢后智能終端可自動生成檢測報告，并將生成的EXCEL報告傳輸給生產系統，以便在設備定檢、試驗和故障檢查時提供有利的數據支持。定期匯總各個間隔的檢測結果，將數據報告進行橫向比較，并通過周期性的多次試驗對各間隔數據進行縱向比較、綜合分析，檢查橫向比較和縱向比較的結果有沒有大的數據波動。一旦出現大的數據異常將及時告警響應，保證實時智能監測零序電流互感器及其二次回路的健康狀況。智能終端生成的檢測報告如表1所示，顯示測試報告編號、測試時間、線路編號、額定變比、一次實測值、二次實測值、實測頻率、實測變比、誤差、結論，最終得出10kV零序電流互感器及其二次回路檢測的合格線路與不合格線路。

表1 電氣檢測報告

智能終端配有歷史報告查詢功能，可存儲100組檢測報告，通過所述智能終端的觸摸屏數據查詢菜單即可完成歷史數據查詢及信息傳遞功能[15]。

3 實例應用

本文研制的零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統在某變電站進行試運行，圖5為變電站現場零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統運行示意圖。

圖5 變電站在線檢測系統運行示意圖

系統的兩倍工頻電流綜合處理裝置固定配置在全站每個10kV線路間隔，該變電站10kV線路間隔零序電流一次保護定值Id已整定為60～75A，因此設置系統輸出的兩倍工頻電流值最大不超過15A，在對10kV間隔進行一次升流試驗時，智能終端限制電流輸出值只能設定任意小于15A的電流值，保障輸出的電流遠小于零序電流保護定值的電流。變電站內廠家的10kV保護裝置零序電流保護采樣模塊已配置濾波功能，只采集工頻電流值作為零序電流保護的幅值判據，同時系統應用小信號電流熔斷器精準輸出兩倍工頻電流，并配置輸出限流技術，有效避免零序電流互感器升流時零序電流保護誤動。

系統的智能終端根據變電站的實際情況設定巡檢策略進行智能監測、周期巡檢、自定義特巡，通過智能終端和各個間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置，實現了對全站多個間隔的數據進行采集，可及時發現零序電流互感器變比失準、二次回路接觸不良或開路等缺陷，智能終端與測控告警系統、自動化通信系統通過正反向隔離裝置進行數據交換，一旦發現缺陷則立即異常告警，預警變電運行部門及時安排消缺，排除安全隱患。

4 結語

本文集成應用兩倍工頻電流綜合管理技術、在線智能檢測技術和智能終端巡檢技術等關鍵技術，研制了零序電流互感器及其二次回路不停電在線檢測系統，通過光纖線路的數據傳輸、智能終端的綜合管理，實現了對10kV電網線路間隔零序互感器及其二次回路的實時監控、檢測、診斷，降低了線路間隔零序互感器及其二次回路在運行時故障的風險，防止了線路間隔的越級跳閘以及擴大保護范圍，保障了人身安全。該系統可及時發零序電流互感器及其二次回路狀態隱患并預警通知運維人員檢查消缺，確保了10kV電網線路間隔安全可靠運行，有效提升了變電站設備智能運維技術水平。