帶三層確定功能的電流互感器二次接線改進方法

陳志峰，張紫凡，李志鋒，王智東，王玕，楊樹豐

（廣州城市理工學院，廣州 510800）

引言

隨著電網的發展，10 kV線路網架不斷增多，柱上開關的數量也不斷增大，其主要包含斷路器本體、柱上開關饋線自動化終端以及連接兩者的電纜[1-4]。而由于柱上開關饋線自動化終端為電子產品，壽命相較于斷路器本體（機械元件）來說較短，存在斷路器本體未壞而柱上開關饋線自動化終端已損壞的現象[5,6]，因此需要對柱上開關饋線自動化終端進行更換，為了減少更換設備給用戶帶來不必要的停電，需采用帶電更換；斷路器本體與柱上開關饋線自動化終端采用電纜連接，因此只需將連接柱上開關饋線自動化終端的電纜拔掉，然后插接入新的饋線自動化終端即可。

帶短路功能的航空插頭已經能夠解決電流互感器二次回路自動短接和保持短路等問題，但是帶短路功能的航空插頭自身又存在無法直觀的觀察到短接接口，運維人員無法直觀判斷出電流互感器二次出線是否短接，如果航空插頭發生故障，則對運維人員來說是重大安全隱患[7-9]。

針對現有的電流互感器用電纜航空插頭無法直接觀察到CT短接接口，保障運維人員的人身安全，在不改變不更換原有航空插頭的基礎上，提出具有手動短路功能的可視化航空插頭，有效解決上述問題。

本文首先提出一種具有手動短路功能的可視化航空插頭，首先具有航空插頭短路接口可視化，可手動短路且可直接應用于現有航空插頭，不用更換現有的航空插頭，能管保障運維人員的安全，提高運維質量。

本文提出的可視化航插可以采用三個方案，①透明化；②指示燈；③紅外線高效、簡易傳輸。具體具備以下特點：

1）具備電流互感器二次出線手動短路功能；

2）電流互感器二次出線短接可視化；

3）增加簡易的紅外線進行二次短路的自動傳輸功能。

1 電流互感器二次回路短接原理

而斷路器本體與饋線自動化終端的連線中含有電流互感器二次出線，且電流互感器二次出線不能開路。電流互感器的測量電路如圖1所示，一次電流是由被測試的電路決定的，當負荷的電阻大小不同時，一次電流大小也不同。電流互感器在正常工作情況下，一次側所接的是大電流，二次側所接負載為電流表或電度表電流線圈以及變送器等，這些線圈的阻抗都很小，基本上運行在短路狀態[10,11]。如圖1所示，設I1、I2、I3分別是電流互感器的一次電流、二次電流、勵磁電流，電流互感器的一次側繞組與二次側繞組的匝數分別為N1、N2。電流互感器的電流比：N1/N2=I1/（I2+I3）。正常運行時，R極小，Z的分流很小，故勵磁電流I3極小，一次、二次電流維持一定比例（即電流互感器的電流比），I3的分流形成電流互感器電流誤差。當電流互感器二次側發生開路時，二次側無電流且負荷阻抗極大，一次電流全部轉化為勵磁電流,即：φ=SB=SμH=SμN1I1/1。由于此時的Z遠大于正常運行時，所以，開路時二次電壓U2遠大于正常運行時的二次電壓。由于此時勵磁電流很大，使得鐵心磁通迅速達到飽和。

圖1 電流互感器工作原理圖

電流互感器二次側短接的情況下，電流互感器的一次電流和二次電流所產生的磁通相互抵消，使鐵芯中的磁通密度維持在較低水平，通常在零點幾特斯拉，由于二次側電阻很小，所以二次側電壓也很低。如圖2所示，當電流互感器二次回路開路時，這時候一次電流如果沒有變化，二次回路斷開，或者電阻很大，那么二次電流為0，或者非常小，二次側線圈或鐵芯的磁通量就很小，不能抵消掉一次磁通量。這時候一次電流全部變為勵磁電流，使鐵心飽和，這個變化是突然的，它的磁通密度高達幾個特斯拉以上。磁通密度突變，鐵心過分飽和，鐵耗急劇增大，引起互感器發熱損壞。同時因副繞組匝數很多，將會感應出危險的高電壓，危及操作人員和測量設備的安全。

圖2 電流互感器二次側開路圖

2 改進方法

電流互感器斷路將存在傷害人身的危險，由于電流互感器投入運行后，電路情況屏蔽在設備內容，運行人員現場操作時不容易觀察是否已經短路，本文對其做了三方面的改進，如圖3所示。

2.1 可視化

可視化航插一般可以采用兩個方案，①透明化；②指示燈。透明化是指采用透明材料將整個航插澆注成透明型，實現航插外殼和內芯可視化，能夠實時查看CT二次輸出回路是否短接。

傳統的航插帶有自動短路功能，當航插拔掉時，短接功能會自動短接CT二次輸出回路，該功能集成在航插的公頭中：如圖3（傳統航插）的左視圖。由于之前采用的航插材料都為不可見材料，不具備透明度，因此在此基礎上，采用全透明的顆粒材料，重新澆注航空插頭的公頭，澆注之后的可視化航插如圖3（航插可視化部分）所示，該航插具備完全可視化的功能，短接回路可以有效查看到。

2.2 自短路功能

除了采用透明材料來設計可視化部分之外還可以采用指示燈的方法，指示燈為間接可見的方法。該方法為在原有航插公頭的基礎上加入指示燈和手動短接回路。研制帶手動短接和指示燈的航插。

可視化航插內部結構具體內部結構如圖3所示，主要包含三個部分：內部短接芯、帶燈按鈕、外殼。外殼用于支撐內部短接芯和帶燈按鈕的作用，分為左右兩個外殼，采用螺栓連接的方式，中間加密封墊，起到防護和密封作用，整個外殼為保護和支持的作用。內部短接芯主要作用為CT二次回路自動短接，CT二次回路線引出，用于手動短接；能夠完成公頭和母頭航插拔開時，自動短接功能，同時能夠將CT二次回路的線引出，引至開關按鈕，開關按鈕能夠實現CT二次回路手動短接。帶燈按鈕主要完成CT二次輸出回路的短接，通過按鈕手動實現，同時如果CT二次回路成功短接時，指示燈會長亮，達到指示的目的，明確告知運維人員設備安全可靠。

圖3 兩種改進方法

帶手動短接功能的可視化航插，操作過程如下：

1）通過柱上開關控制器查看電壓、電流數據，確認電壓、電流數據正常；航插和電纜連接等都處于正常狀態。

2）通過兩個帶指示燈的開關按鈕，手動對CT二次輸出回路進行短接。

3）開關按鈕合上之后，觀察開關按鈕上面的指示燈，如果指示燈長亮則表示CT二次輸出短接成功，同時，通過柱上開關控制器FTU裝置查看電流數據，如果為0，則可二次確認CT二次輸出已短接。

4）拔掉可視化航插公頭，此時航插中的二次輸出回路被短接，指示燈長亮，且航插中的公頭自帶短接回路，會自動進行短接，起到雙重保護作用。

上述兩種方案，有助于操作人員觀察電流互感器是否已經短路，考慮到柱上開關多安裝在較高地方，通常需要借助梯子等設備才容易操作，而且電力操作規程，要求至少兩個運行人員進行操作，則需要兩個運行人員同時爬上柱上開關所安裝的較高地方進行操作和監督，效率低、勞動強度高，因此，本文在上述電流互感器可視化和短路電路基礎上，進一步通過紅外線方式，將電流互感器短路信息實時傳遞到地面，不僅減少了操作柱上開關時爬梯子的運行人員人數，而且多增加了一層電流互感器短路確認功能，提高了安全性。

2.3 短路信息的紅外線傳輸方法

為了將柱上開關涉及的電流互感器二次回路短路信息，方便地傳遞到地面的監督運維人員，首選簡便的無線傳遞方式，這樣可以減少有線網絡傳輸方式的布線問題。

當前主要的無線數據傳輸方式主要有GPRS、4G、NB-IoT、LoRa、WiFi、ZigBee、紅外線等多種無線傳輸方式[12-18]。柱上開關電流互感器二次回路應用場景，具有下述特征：①信號簡單，只需傳遞“短路”與“非短路”兩個信號，無需過多數據傳輸。②所需傳輸網絡的距離近，5 m以內距離。一般用于柱上開關操作過程中，方便地面人員方便獲取電流互感器二次回路短路信息，以監督操作人員進行安全操作。③通信回路通常屬于低電平范疇的電子電路，通信模塊在強電環境中較容易損壞，因此，電流互感器二次回路的通信模塊盡量選擇抗干擾性強的通信方式。

綜合比較當前無線傳輸方式，考慮到紅外線傳輸結構簡易，操作簡單，受外界影響較小，投資成本低，非常契合柱上開關電流互感器二次回路的應用場景，因此，本文選擇紅外線進行電流互感器二次回路短接狀況的無線傳輸。

以下介紹的無線傳輸功能即是利用紅外線傳遞信息，其主要原理是通過光敏電阻控制電路輸出。首先需要在航插中設置一個紅外線發射器，其次是有一個連接著指示燈的紅外線接收器。當CT二次輸出回路被短接時，航插中設置的紅外線接收器將會發出紅外線，紅外線接收器通過接收航插中發出的紅外線，其連接的指示燈點亮。反之，當CT二次回路處于非短接狀態時，紅外線發射器處于斷開狀態，無法發出紅外線，所以，紅外線接收器所連接的指示燈保持熄滅。紅外線傳輸原理圖如圖4所示。

圖4 紅外線傳輸原理圖

柱上開關長時間不間斷運行在戶外電磁干擾較強的環境，本文設計的無線傳輸功能是利用紅外線傳遞信息，其利用的設備較為簡易，不僅花銷成本低，而且不易受電流互感器附近惡劣環境的影響。此外，紅外線是波長比紅光長的非可見光，它具有較強的穿透能力。

3 無線傳輸功能設計

3.1 整體設計

無線傳輸功能主要利用的是紅外線控制原理，當紅外線接收器接收到紅外線發射器發出的紅外線，控制電路輸出。需要分別設計一個紅外線發射裝置和一個紅外線接收裝置。紅外線發射裝置設置在航插之中，紅外線接收裝置則設計成一個連接著指示燈的輕便可移動裝置。

由于自然光中也包含著紅外線，為了避免紅外線接收裝置對自然光產生誤判，從而將紅外線發射裝置與紅外線接收裝置的發收紅外線增加了一個頻率。紅外線接收裝置只有受到38 kHz紅外線照射時，裝置中的指示燈才會亮起。

即，當CT二次回路短接，航插中的紅外線發射器將會發出38 kHz紅外線。操作人員只需手持紅外線接收裝置在10 m內將紅外線接收口對準航插的紅外線發射口，嘗試接收38 kHz紅外線，如果紅外線接收裝置的指示燈亮起，則表明CT二次回路處于短接狀態。反之，紅外線接收裝置的指示燈抱持熄滅，則表明CT二次回路處于非短接狀態。

3.2 電路設計

3.2.1 紅外線發射裝置設計

紅外線發射裝置原理圖如圖5所示。紅外線發射裝置是與電流互感器的二次側串接的，CT二次回路在短接狀態下的電壓在1～5 V，紅外線發射管工作狀態下的電壓為1.2～1.6 V，需要一個電阻為紅外線發射管分擔電壓，減輕紅外線發射管的損耗。

圖5 紅外線發射裝置原理圖

在航插中設置一個紅外線發射管、38 kHz振蕩器、鍍鉻鐵皮制作的反射罩和一個電阻。當CT二次回路短接時，紅外線發射管將會發出38 kHz紅外線。其中，航插中需新增一個紅外線發射口，并且用反射罩連接紅外線發射口，以增強所發出紅外線的強度。

3.2.2 紅外線接收裝置設計

紅外線接收裝置原理圖如圖6所示。紅外線接收裝置不僅需要盡可能地準確接收到紅外線發射裝置所發射的38 kHz紅外線，還需要避免受到自然光的影響。增加隔直電容則是避免紅外線接收裝置被自然光照射后亮起，增加濾光片則是減輕其它光線的影響。

圖6 紅外線接收裝置原理圖

紅外線接收裝置是由紅外線接收管、濾光片、低壓電源、隔直電容、指示燈與外殼所組成。紅外線接收管、指示燈和電源串接在一起，當紅外線接收管接受到38 kHz的紅外線時，指示燈亮起，否則，指示燈抱持熄滅。其中，外殼需留有紅外線接收口，濾光片覆蓋在紅外線接收口處，減輕自然光對紅外線接收管的影響。

3.3 具體應用

當需要對柱上開關饋線自動化終端進行更換時，通常需要兩位運行人員，分別進行操作工作和監督工作，如圖7所示。采用本文方法后，兩名操作人員無需一同爬上柱子，只需操作人員一人登上柱子。操作人員首先接通短路按鈕，通過觀察短路指示燈作為第一層的電流互感器二次回路的短接確認，進一步觀察可視化航插的透明端子，肉眼確認短路情況，作為第二層短路確認。

圖7 現場應用

電流互感器二次回路短接的第三層確認，來自于作為第二人的監督人員的紅外線信號接收。監督人員手持紅外線接收裝置站在柱子底下。無論是自短路航插還是帶手動短路的航插，將CT二次回路短接后，紅外線發射裝置發射紅外線，站在柱子下的操作人員，用紅外線接收裝置接收紅外線且指示燈亮起，則可告知柱子上的操作人員CT二次回路已短接，可進行下一步操作，如圖8所示。如果指示燈抱持熄滅，則需要先停止下一步操作，避免發生意外。查找原因并解決，將CT二次回路短接后且確保無誤后，再進行下一步操作。

圖8 無線傳輸操作流程圖

4 結語

本文通過對航空插頭的改進，提高了現今電網的自動化終端易損壞后更換時的安全性。其中航插可視化解決了終端損壞無法查看短接回路的問題。其次，除了采用透明材料來設計可視化部分之外還增加了指示燈的間接可見方法。該方法為在原有航插的基礎上加入指示燈和手動短接回路。操作人員可以通過按鈕手動短接，通過指示燈的狀態來查看短接回路的運行狀況。最后，我們還加入了無線傳輸功能。即是利用紅外線的控制原理進行傳輸電流互感器二次側短接信息。電流互感器二次回路短接時，紅外線發射裝置將發出38kHz紅外線，紅外線接收裝置的指示燈將會亮起，操作人員可根據指示燈的狀態判斷下一步的操作。通過航插改良，自動化終端損壞后的帶電更換操作，電網操作人員能夠及時地了解設備的運行情況，更加保障了操作安全性。