電子式電流互感器二次回路故障在線診斷研究

安超印，張玉玲

(1.國網河南省電力公司, 河南， 鄭州 450032；2.河南九域博慧方舟咨詢發展有限公司， 河南， 鄭州 450032)

0 引言

如今，隨著電力傳輸容量的不斷增加，對變電站系統中電流互感器的安全運行時間的要求也越來越高，之前的電磁式電流互感器，也逐漸暴露出了對絕緣要求高、動態范圍小、頻帶窄、有油易燃易爆炸等缺點[1]。本文提出了電流互感器二次回路故障在線診斷來解決之前故障診斷研究中存在的部分問題。本文將變電站系統作為實驗對象，對研究對象構造電路模型，然后將電路模型計算出的互感器的輸出值進行比較得到具有殘差故障的信息，其次然后分析故障特征，最后利用分析結果對電子式互感器漸變性故障進行辨識。

1 方法

1.1 電流互感器二次回路常見故障原因及基本檢測方法

故障的主要內容可以分為3點：① 兩點接地問題，如果電流互感器有兩點接地的現象產生，就會導致整體電路二次回路導入地，并產生線路分流。使得一次系統的運行狀況無法通過二次系統得以反應，導致監控系統運行出錯。② 電路出現斷路問題，如果電流互感器有短路的現象產生，電流互感器中的二次回路無法得到一次系統的電流情況，就會在互感器二次產生較高的電壓。③ 電氣設備接線錯誤的問題， 一個電流互感器往往需要連接多個設備，如果電氣設備間出現接線雜亂就有極大可能會導致整個電路系統短路。影響整個電路的安全運轉[2]。常見的電流互感器檢測方法可以分為3種，其分別為① 絕緣檢測法。即將被測電路的接地端斷開，然后利用絕緣電阻測量儀對系統的絕緣性進行測量。這種做法的優勢在于不僅可以快速找到電路系統的接地點還可以測量電路系統的絕緣性得以測量。② 電路直流測試法。該方法可以分為兩種其分別為歐姆表檢測法和搭建電路互感器綜合檢測法，其中綜合檢測法的實施方法為首先斷開電路系統的連接段，讓電流互感器和二回路進行分離，對互感器回路數據進行測試。也可以對互感器的二次系統的組別進行遞推，從而自動檢測互感器的電流比[3]。③ 另外還可以對互感器的匝數補償值與二次繞組內阻抗進行測試，然后根據測試結果對截面大小、磁場強度、儀表保安系數進行測定。這個方法是一個較為高效的電流互感器二次回路系統的檢測方法[4]。

1.2 電路模型的建立

本文首先將由變電站輸出的輸電線路等效成相同的多個由電阻、電容、電感組成的電路單元串聯成的電路模型，由圖1可以看出電路單元中電阻和兩個電容進行串聯，沒有電容的一段為輸入端，有電容并聯的一端為輸出端，模型中還包含電感等其他元件，其次對每個小電路單元建立電路參數微分方程，將方程進行遞推，即可求得等值電路模型的線路上各點的電流值。然后根據波動原理，將電磁波沿線路的傳播過程電路化，使得分布參數線路上的任何一點電流和距離與時間呈函數關系[5]。

圖1 變電站輸出的輸電線路等效示意圖

本文構建的等效電路中的電壓方程如式(1)，電流方程如式(2)：

ua(t+Δt)=ua-1(t)-RΔxia-1(t)-LΔxia-1(t)

(1)

ia(t+Δt)=ia-1(t)-CΔxua(t+Δt)

(2)

式中，ua(t+Δt)表示每個單元輸出端電壓，ua-1(t)表示每個單元的輸入端的電壓，Δx表示每個單元的長度，ia-1(t)表示每個輸入端的電流，ia-1(t)表示對輸入端電流求一階倒數，ia(t+Δt)表示每個輸出端的電流，t表示電壓電流進入單元輸入端的時間。利用式(1)、式(2)進行反復推算可以得到輸電線路輸出端的電流和電壓值如式(3)：

(3)

式中，ig(t)表示輸電線路末端的電流序列分量，im(t)表示輸電線路首端的電流序列分量，C表示輸電線路等效電容，X表示輸電線路的長度，R表示輸電線路的等效電阻，L表示輸電線路的等效電感。

本文等效的電路模型也將分布電容納入考慮因素，并且由于電導幾乎不影響對輸電線路的性能，因此在本文等效的電路模型中電導對輸電線路的影響忽略不計[13]。基于上述分析對系統性能的分析，本文建立一個多階距離無窮小的分布參數數學模型來建立線路兩端間的約束關系，即由輸電線路一端的電流電壓采樣值計算輸電線路另一端的瞬時值。本文中的變壓器可以近似等效成電路模型，然后在這個電路模型的基礎上利用電磁耦合構建了一個考慮鐵磁磁滯的變壓器模型，進而建立變壓器元件兩端的電壓電流聯系，然后由變壓器一次側的電壓值，電流采樣值，得到二次側電流的瞬時值is，如式(4)：

(4)

式中，N1表示為變壓器一次側繞組匝數，N2為變壓器二次側繞組匝數，B為磁通密度，μ0為真空磁導率，M為磁化強度。

本文構建的ECT的漸變性故障診斷方法可以分為5步，如圖2所示。

(1) 利用相關測量設備采集變電系統中ECT的輸出信號。

(2) 分別計算t時刻時輸電線路末端和變壓器二次側的力理論電流瞬時值。

(3) 分別計算輸電線路首段和末端的變壓器一二次側ECT的殘差值。

(4) 對電子式電流感器的漸變性故障進行判斷。

(5) 采集變電站母線上每個支路的互感器的瞬時值，然后對這些瞬時值做電流檢測，并利用電路檢測的結果對發生故障的互感器的具體位置進行查找。

圖2 系統流程圖

1.3 實驗環境

本文于2020年9月1日至2020年11月31日期間對一個輸電線路電阻參數為0.021 Ω/km，電感參數為8.981 Mh/km,電容參數為0.012 9 μF,三條輸出線長度分別為300 km、400 km、500 km。變壓器的額定電壓為24 kV/512 kV,額定容量為223 MVA的變電站系統中的ECT進行在線監測，并進行故障診斷。本文將3個月的實驗周期按自然月劃分為3個階段，分別為系統初期實驗階段，系統中期實驗階段，系統后期實驗階段。

2 結果與討論

2.1 系統初期實驗結果檢測

表1為2020年9月21日，本文建立的診斷系統位于初期實驗階段時ECT的線檢測數據及3條不同線路和變壓器上的計算殘差。

表1 各序列殘差電流對比表

由表1對各序列殘差電流的檢測值可以發現，線路A、線路B、線路C和變壓器間的殘差都小于殘差閾值，證明ECT無漸變性故障發生。后經現場檢驗無故障，檢驗結果證明，本文構建的ECT的故障診斷方法正確。

2.2 系統中期實驗結果檢測

表2為2020年10月7日，本文建立的診斷系統位于中期實驗階段時ECT的線檢測數據及3條不同線路和變壓器上的計算殘差。

表2 各序列殘差電流對比表

由表2的實驗結果可以看出，從線路A上第三個采樣點開始殘差值高于設定的殘差閾值，線路B和線路C和變壓器計算的殘差沒有超過殘差閾值，可以說明線路A上有漸變性故障產生。線路B和線路C上沒有漸變性故障產生。然后對變電站母線上所有支路的ECT做基爾霍夫檢測，檢測結果顯示流入母線的電流矢量和比殘差閾值大，說明發生故障的互電流感器位于線路A的首端。此時對現場位于線路A的首端進行檢測，發現其確實存在故障。檢驗結果證明，本文構建的ECT的故障診斷方法正確。

2.3 系統后期實驗結果檢測

表3為2020年11月26日，本文建立的診斷系統位于末期實驗階段時ECT的線檢測數據及3條不同線路和變壓器上的計算殘差。

表3 各序列殘差電流對比表

由表3的實驗結果可以看出，從線路B上第3個采樣點開始殘差值高于設定的殘差閾值，線路A和線路C和變壓器計算的殘差沒有超過殘差閾值，可以說明線路B上有漸變性故障產生。線路A和線路C上沒有漸變性故障產生。隨即對變電站母線上所有支路的ECT做電流檢測，電流檢測結果顯示每條母線上的電流矢量和比殘差閾值小，說明發生故障的互電流感器位于線路A的末端。此時對現場位于線路B的末端進行檢測，發現其確實存在故障。檢驗結果證明，本文構建的ECT的故障診斷方法正確。

3 總結

本文針對之前ECT故障檢測中存在的問題，構建了一個ECT故障檢測系統，本文首先利用變電站系統中相關器件的電氣關系建立了一個含有線性器件的電路模型，然后獲取輸電線路首端的電流電壓采樣值，并推算線路末端電流的理論值，利用其差值來構建殘差，進而提取ECT的故障信息，最后對提取出的故障信息進行分析，對電子式互感器產生的漸變性故障進行分析，并利用母線上進行電流檢測對發生故障的ECT在線路上的位置進行較精確判斷。本文構建的模型不僅具有操作簡便，計算精度高的優點，而且可以根據不同場合，不同要求靈活的調節故障閾值。其可在不對ECT進行斷電斷網的情況下，實現其在線故障診斷。但本文構建的系統也存在著一定的不足，其只能對ECT二次回路上出現的漸變性故障進行在線診斷，而無法對其他類型的故障進行在線診斷，針對這個問題本文也將在后續的工作中繼續進行研究。