基于波形分析的電流互感器局部暫態飽和檢測方法

朱小蘭，秦蘭桂

（國網青海省電力公司海南供電公司，青海 海南 813000）

0 引 言

電流互感器是電力系統中的一種重要器件，廣泛應用于保護、測量和監測等方面。保護用變流器的特性必須符合電力系統、供電裝置在運行中發生故障時的需求，即電流互感器在運行中發生短路、斷路等異常工況時，系統中的保護裝置需要將線路中的一次電流按照規范傳送至二次回路，且傳送過程的電流偏差不大于規定的范圍[1]。深入研究該方面內容，鐵芯的非線性和鐵芯的飽和，都會對電流互感器在使用中的測量精度產生較大的影響。差動保護作為發電機、變壓器的主要保護形式，是否能準確判別區內外故障，直接取決于電流互感器是否能正確傳遞故障電流，一旦互感器在運行中發生飽和現象，就易導致差動保護誤動作。為解決此方面問題，智能電網運營公司與電力監管委員會提出了針對電力系統中的母線電流差動保護措施。根據階段性的工作實踐可知，該保護方式具有一定可行性，已廣泛應用于電力工程等相關領域[2]。但是，高壓母線的短路電流非常大，而且在發生外部故障時，各個分支中流過的電流差異很大，使一些分支電流互感器發生飽和，無法正常地傳遞初級電流，從而引起母線保護的差流。隨著電力系統規模的擴大，電力系統的短路容量越來越大，互感器的飽和問題也越來越嚴重。近年來，我國出現了多起電流互感器飽和導致保護誤動或拒動的案例[3]。為解決此方面問題，避免變壓器、發電機等電力設備的誤動，文章引進波形分析技術，設計一種針對電流互感器局部暫態飽和的全新檢測方法，實現對互感器在運行中局部、暫態的快速感知，以控制差動保護誤動行為發生概率。

1 基于波形分析的電流互感器二次電流暫態信息獲取

為實現對電流互感器局部暫態飽和狀態的檢測，應在設計方法前，引進波形分析技術，進行電流互感器二次電流暫態信息的獲取[4]。該過程中，根據電流互感器在運行過程中二次電流波形圖的數學形態，掌握互感器的運行工況。同時，提取該過程中的二次電流奇異特征信息，感知其瞬時工況與運行狀態。為滿足此方面需求，獲取電流互感器二次電流波形圖，將其作為待處理電流信號f(n)。在分析f(n)波形的過程中，將f(n)作為一個采樣的一維多值信號，設定信號域與一維信號中的結構元素序列，對其進行信號的處理。處理過程為

式中：F表示電流互感器二次電流f(n)的預處理；x表示波形圖中信號的平均幅值；g(x)表示信號的放大系數。

對完成預處理后的信號進行濾波，采用混合交替濾波器進行二次電流長度與電流波形奇異性的檢測，將檢測結果作為二次電流暫態信息。進行二次電流的暫態信息獲取的表達式為

式中：K(F)表示二次電流長度與電流波形的奇異性檢測；f0表示初始化信號的形態學梯度；g1表示信號波形中的極大值；g2表示信號波形中的極小值。

輸出計算結果，以此實現基于波形分析的電流互感器二次電流暫態信息獲取。

2 電流互感器局部暫態相位偏移飽和識別與檢測

為實現電流互感器瞬時局部飽和異?，F象的檢測，在獲取電流互感器二次電流暫態信息的基礎上，識別電流互感器局部暫態相位偏移飽和。當電流互感器存在該瞬時狀態時，傳感器的電流與正常條件下的負荷電流十分接近。因此，對應的互感器制動與最小動作電流的比值應滿足小于1 的需求。以此為依據，進行電流互感器局部暫態飽和狀態的判定[5]。此過程計算公式為

式中：ψ表示電流互感器局部暫態飽和狀態；k1表示互感器制動狀態下的二次電流；k2表示電流互感器最小動作電流。

計算互感器制動與最小動作電流比值，如比值小于1，證明互感器局部暫態相位偏移，以此實現對電流互感器局部暫態飽和狀態的識別與檢測。

3 對比實驗

文章引進波形分析技術，設計一種針對電流互感器飽和的全新檢測方法。為驗證該方法在實際應用中對局部暫態飽和的檢測效果，以某電力系統為例，使用EMTDC/PSCAD 軟件，在終端建立電流互感器局部暫態飽和仿真模型。電流互感器局部暫態飽和仿真模型如圖1 所示。

圖1 電流互感器局部暫態飽和仿真模型

本次構建的電流互感器局部暫態飽和仿真模型為500 kV雙端輸電模型，線路測試端全長約為100 km，線路分布參數如表1 所示。

表1 500 kV 雙端輸電模型中線路分布參數

在上述內容的基礎上，為排除實驗中相關因素對電流互感器局部暫態飽和檢測結果的影響，需要設計電流互感器在運行中技術參數，如表2 所示。

表2 電流互感器在運行中技術參數設計

完成表2 技術參數的設計后，根據對比實驗的具體需求，設計實驗過程中對電力互感器運行的采樣頻率為20 kHz，互感器兩端電源相角差值約為10°。已知電力系統中電流互感器在運行第0.08 s 時存在瞬時三相短路故障，使用文章設計的方法，進行電流互感器二次電流局部暫態飽和檢測。

檢測過程中，假設電流互感器其中的一次電流值為800 A，在排除外界干擾的條件下，進行二次電流的局部暫態飽和的檢測。檢測時，引進波形分析技術，進行電流互感器二次電流暫態信息的獲取，同時通過識別電流互感器局部暫態相位偏移是否飽和。

為滿足實驗結果的對比需求，引進基于SCADA的局部暫態飽和檢測方法作為傳統方法1、基于低壓臺區負線損計算的局部暫態飽和檢測方法作為傳統方法2。使用傳統方法1、傳統方法2 和文章設計方法進行電流互感器局部暫態飽和檢測，并進行檢測結果對比。在已知電流互感器在運行第0.3 s 時，存在局部暫態飽和問題的基礎上，進行電流互感器局部暫態二次電流的檢測，3 種方法的檢測結果如圖2所示。

圖2 電流互感器局部暫態二次電流檢測結果

從圖2 的實驗結果可以看出，使用文章設計的方法，可以精準識別到電流互感器在第0.3 s 存在局部暫態二次電流異常，即正常狀態下，電流互感器局部暫態二次電流在10 ～-10 A，而出現局部暫態飽和現象時，局部暫態二次電流值趨近于0 A，表示此時存在電流互感器運行異常。而采用傳統方法1 進行實際應用，其未能檢測到電流互感器在0.3 s 存在局部暫態二次電流異常，即在測試區段內，電流互感器的局部暫態二次電流一直穩定在10 ～-10 A。采用傳統方法2 進行檢測，其能夠在0.3 s 處檢測到局部暫態二次電流波動，但電流的瞬時波動幅值較小，在實際檢測中，極易受相關因素的影響，出現局部暫態飽和檢測結果偏差的問題。

根據實驗結果，得到如下結論：相比傳統方法，文章設計的基于波形分析的檢測方法應用效果良好，按照規范使用文章設計方法進行電流互感器局部暫態飽和檢測，檢測結果更加可靠。由此表明，采用文章設計方法可實現對電流互感器在運行中瞬時異常狀態的精準檢測，降低了由于互感器故障造成的電力系統供電服務異常，通過此種方式，能夠全面保障供電服務的可靠性、穩定性與安全性。

4 結 論

為解決由于電流互感器飽和所引起的保護行為誤動現象，文章引進波形分析技術，通過電流互感器二次電流暫態信息獲取、電流互感器局部暫態相位偏移飽和識別與檢測，設計一種針對電流互感器局部暫態飽和的全新檢測方法。完成設計后，通過對比實驗證明了文章設計的基于波形分析的檢測方法應用效果良好。該方法可以精準檢測到電流互感器在運行中的瞬時異常狀態，以此種方式，為電流互感器在電力系統中的運行提供全面的技術保障與支持。