基于電流互感器的二次回路故障智能檢測方法

張良

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

電流互感器作為電能傳輸的重要設備，其可靠性是電力系統安全穩定運行的重要保證。電流互感器二次回路故障包括短路和開路兩種，會對電能計量及電力系統產生嚴重的安全隱患。電流互感器二次回路開路、短路現象通常是因觸點破損、接觸不良和人為短接或斷開等故障引起。用于電能測量的電流互感器發生故障會對電能計量的準確性造成影響，二次回路開路是導致電力安全事故的重要因素之一，電流互感器二次回路故障可通過電流回路的導納值進行判斷，根據回路中導納值的實時檢測即可對回路的運行情況進行診斷［1］。綜上所述，對電流回路進行實時檢測和處理是系統正常運行的重要保證。

1 二次回路故障類型

電流互感器在電能的生產、傳輸及使用中廣泛應用，與二次測的其他設備共同對電力系統進行監管監測，同時與系統中的繼電保護裝置相連，對線路進行保護，從而實現電能安全穩定的傳輸。因此需要對其二次回路故障進行檢測，并做好預防措施，二次回路故障主要內容包括兩點接地、電路斷路和電氣設備錯誤接線三方面［2～4］。

1.1 兩點接地

電流互感器正常運行時，為了確保系統安全，其二次側線圈需要單點接地，但是當電流互感器發生兩點接地時，系統中的二次回路與大地連接而產生分流，因此一次側的電流就無法通過二次側來表征，二次回路不能如實反映一次側的運行情況，進而會導致二次回路的監控系統異常運行和錯誤判斷。

由電流互感器的工作原理及特性可知，正常工作時，其一次側和二次側通過電磁感應實現彼此連接，對二次側進行電氣設備檢測時不存在高壓對人身構成的威脅，當電流互感器一次側絕緣系統被損壞時，二次側會檢測到一次側的高電壓，這樣就會對二次側的電氣設備性能產生影響，同時也會增加人身觸電的幾率。因此針對上述隱患，需要將二次側線圈單點接地，為二次側電氣設備的正常運行和人身安全提供保障，系統中電流互感器運行前需對一次側的絕緣性和二次側的接地點進行檢測，確認正常后方可投入運行［5］。

1.2 斷路原因分析

電流互感器發生斷路原因主要有以下幾點：

（1）電路設計問題導致滑片與金屬片連接不可靠引起斷路；

（2）二次側端子未可靠連接，線路中有大電流時因高溫及老化引起斷路；

（3）受周圍環境影響，二次側端子生銹腐蝕、電纜內芯斷裂等因素引起斷路。電流互感器原理如圖1所示：

圖1 電流互感器原理圖

電流互感器的一次繞組、二次繞組分別用L1和L2來表示。由互感器的原理可知，互感器兩端電壓與其匝數的關系如下：

式中E1、E2分別為一次側電壓和二次側電壓，N1、N2分別為一次側和二次側線圈匝數。電流互感器變比表達式如下：

電流互感器正常工作時不能出現斷路情況，因為當電流互感器斷路時一次側電流全為勵磁電流，大小是正常電流的幾百倍，由互感器原理可知二次側會感應出上千伏的高壓，鐵芯的磁通也會劇增，互感器溫度不斷升高，存在燒毀電路的隱患，同時人身安全也將會受到嚴重威脅。

電流互感器二次側斷路時回路中沒有電流會導致相關繼電保護裝置無法正常工作或者誤動作，二次側斷路會引起系統內溫度急劇上升易引起火災，嚴重時還會破壞線路的絕緣性能，擊穿絕緣體，導致單相接地等安全隱患［6］。

1.3 電氣設備接線錯誤

系統中的電流互感器與多個電氣設備相連，接線時由于人為操作失誤導致的電氣設備間錯誤接線會導致系統出現短路現象，嚴重影響系統運行的穩定性和安全性，進而會對人身安全構成威脅。

2 故障檢測方法分類

2.1 絕緣性檢測法

將被測電路接地端與系統斷開，根據實際系統的絕緣等級選取合適的測量儀對電路的絕緣電阻進行測量。通過該方法既可以對系統的絕緣性進行測試，又可以確定系統中電路的接地點，這種方法可以實現對電路的快速檢測，具有一定的實用性，但對于系統電路接地問題以及絕緣性不滿足要求的具體原因無法進一步檢測確定。

3）建立教學評價大數據庫。智慧課堂的使用有利于對學生各方面能力培養進行監測記錄，大數據可以真實、客觀地反映學生具體的學習態度、學習習慣和學習效果，因此可以更好地檢驗以核心素養培養為目標的高職大學英語教學。通過高職英語智慧教學大數據庫的建立，還可以了解每個學生存在的困難，教師根據數據及時督學、導學，調整教學內容和難度，實現學生的個性化發展和核心素養的提升。

2.2 直流測試法

由歐姆表的特性可知當其與被測電路相連接時，電路阻抗會很低，將電路二次側與電纜連接的轉接點全部斷開，從而保證內部接線斷路，彼此間無電磁感應現象產生，這樣才能進行正常的檢測。該測試方法工序繁瑣，雖然可以對系統電路的回路運行情況進行判定，但是對電路其他性能的檢測卻無能為力［7］。

2.3 一次側通流法

將被測電流互感器的一次側與大容量升流系統的輸入端進行連接，通過調節升流系統使一次側輸入所需的大電流。根據被測互感器的電氣參數在其一次側輸入正常工作電流，在其二次側連接相關電氣設備用來檢測二次側電流的大小和具體電氣特性，結合電路理論和電流互感器的工作原理，對電流互感器二次回路連接狀態進行判定［8］。該方法一次側接入電流大小可調節，因此可以根據一次側電流的大小對二次側回路的運行狀態進行檢測，但對于系統中包含變壓器組的電路來說，因其無法準確模擬導致實際檢測效果不理想。

3 二次回路故障檢測系統

3.1 設計原理

電流互感器工作區分為線性和非線性兩種。當其在線性工作區時，內阻無窮大，可以等效成一個恒流源，二次側的輸出與負載阻抗的變化無關，但當阻抗繼續增大時，二次側的勵磁電壓也隨之增大，直至電流互感器的飽和電壓，此時電流互感器在非線性區域工作，同時勵磁電流隨著勵磁電壓的增大而增大，最終導致勵磁回路將二次側負載電流分流［9］。

根據電流互感器等效電路（如圖2所示），可以得到誤差表達式如下：

圖2 電流互感器等效電路圖

式中R2為二次側直流電阻，x′2為折算到二次側漏抗值，Zb為負載阻抗，表達式如下：

由上述分析可知，電流互感器二次側電路導納與負載阻抗大小以及勵磁特性有關，互感器正常工作時其負載阻抗恒定，勵磁阻抗隨著勵磁電壓的改變而變化。

3.2 系統方案

二次回路故障檢測系統內部包括一個兩路信號輸出的電流互感器，一路用來實現計量，另一路實現信號檢測，檢測系統正常工作時，與被測電流互感器構成一個電流回路。電流互感器二次回路故障檢測系統框圖如圖3所示。被測電流互感器二次側正常運行狀態以及開路和短路狀態可以通過檢測系統內部電流互感器的導納值來判斷。通過在其信號檢測的線圈上注入一正弦信號，然后通過計量線圈對被測互感器的信號變化進行采集，經過信號調理電路和A/D采樣電路后送至處理器，最終實現被測互感器二次回路狀態的判斷。

圖3 二次回路故障檢測系統框圖

3.3 檢測方法

根據二次回路故障檢測系統的工作原理，接入被測電流互感器，通過處理器經正弦波發生器產生標準正弦信號，被測電流互感器的阻抗值因生產廠家及變比的不同而不同，這樣就會導致正弦信號的幅值隨著阻抗大小不同而發生變化，當電流互感器二次側發生短路時，根據短路程度以及短路電流所占的比例會有所區別，當電流互感器二次側發生短路時，被測電流互感器的導納值會有明顯的變化，相當于將其二次側用導線進行連接，反饋信號保持不變［10］。對于二次回路發生開路、短路現象時，該檢測系統可以靈敏的對其狀態進行判斷。

處理器模數轉換模塊具有12位采樣精度，對應0-3V的測量范圍，系統設計時通過信號調理電路將二次側短路和開路時對應的電壓值限定在采樣范圍內，當互感器正常工作時，調理電路輸出的電壓值與被測互感器有關，在一限定的電壓范圍內，處理器根據采樣電壓值的大小就可以實現互感器運行狀態的判斷，檢測系統分辨率較高［11］。

3.4 試驗結果

根據上述方法對某電流互感器進行連續模擬故障檢測試驗，二次回路在正常運行、開路及短路時對應的輸出電壓幅值不同，如圖4所示，根據電壓大小即可對二次回路的運行狀態進行檢測。

圖4 不同運行狀態電壓波形圖

4 結論

本文基于導納法提出了一種用于電流互感器二次回路故障檢測的方法，可以對互感器正常運行、開路和短路等故障狀態實時智能檢測。首先對電流互感器二次回路故障類型進行描述，然后詳細介紹了電流互感器二次回路故障檢測方法的種類，最后對本文所提出的二次回路故障檢測系統的設計原理、系統方案以及具體檢測方法進行了說明。該方法可以實現互感器在不同負載下的準確檢測，在二次回路開短路中應用可以及時發現回路故障，提高了檢測的靈活性和便捷性，為電力系統的正常運行提供了重要保證。