数字化变电站电流互感器二次回路的监视

何小涛，谢海远，邓祥力

(1.国网四川省电力公司成都供电公司，四川成都 610000;2.上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

电流互感器是联系电力系统一二次设备的重要元件，其采集的电流量是继电保护动作的判断依据.随着数字化电网的发展，数字化变电站成为电力系统的重要连接点，是未来的发展方向，但变电站二次回路电缆的故障问题一直没有引起足够的重视.

如果二次回路发生故障，互感器获得的数值就不能正确地反应一次电力设备的实际运行状态，还有可能造成差动保护误动或拒动，对电力系统造成严重的影响.［1-3］目前的微机保护装置只能对二次回路的断线故障进行判别，而对于二次电缆的磨损、CT的饱和、剩磁计算等可能引起差动保护误动的问题研究较少，本文设计了一种变压器电流互感器回路监视装置，从功能和应用上分析了相关影响及解决策略，并对装置的硬件设计和软件功能做了介绍.

1 数字化变电站二次回路可能存在的问题及解决方法

1.1 CT 饱和问题

由于电流互感器的铁芯是非线性元件，一旦铁芯饱和，二次电流将严重失真.变压器区外故障引起的CT饱和分为稳态饱和和暂态饱和两种.暂态饱和由区外故障时一次系统中的非周期分量引起，对变压器差动保护的影响较大.［4］发生变压器区外故障后，CT有一定的线性传变时间(如5 ms)，在线性传变时间内，差动电流很小;超过线性传变时间后，变压器某侧的单相CT开始饱和(本文只考虑单个CT饱和的情况)，电流波形出现畸变，差动电流开始增加.［5-6］CT一二次侧传变的电流仿真结果，以及计算得到的差动电流和制动电流如图1所示.

图1 CT饱和特性仿真结果

由图1可以看出，当差动电流增加到一定程度时，比率差动保护进入动作区，差动保护误动作.变压器动作特性和制动特性如图2所示.

发生变压器区外故障时，CT饱和判别依据如下:

(1)启动元件动作后，使用5 ms数据窗计算三相差流和制动电流的比值，其值均落在图2中的附加制动区内部;

(2)启动元件动作30 ms后，变压器比率差动保护装置动作;

图2 变压器动作特性和制动特性示意

1.2 CT剩磁的计算

剩磁的产生是铁磁材料固有的磁滞现象，当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，因铁心饱和且存在剩磁会出现很大的励磁电流，励磁电流中产生大量谐波，不仅增加了变压器的无功消耗，而且可能引起继电保护器误动作.引起误动的原因在于恢复性涌流或是因涌流引起的电流互感器饱和，电流互感器在大剩磁的情况下会出现局部暂态饱和，形成较大差流，从而引起保护误动.［7］因此，有必要对电流互感器的剩磁情况进行监视.

CT剩磁计算模型如图3所示.

图3 CT剩磁计算模型

CT一次绕组等效为恒流源，CT工作在线性区，其励磁电感为Lm，CT二次侧负载电阻为RL.电力系统正常运行时，CT对系统中的一次电流进行正常传变，对应于图3中开关K闭合;电力系统中发生故障时，继电保护跳开断路器，断路器在电流过零点附近切断电流，对应于开关K断开.因此，可以建立各阶段的微分方程.

当开关K闭合时CT处于稳定传变状态，微分方程为:

式中:k——CT 变比;

N1，N2——CT 一次和二次绕组匝数;

Lm——常数.

当开关K打开后，表示断路器已经切除一次系统电流，CT二次回路的电流通过CT负载电阻衰减，当二次电流衰减为零时，铁芯中的磁通即为剩磁.

式中:S——铁芯面积;

B——铁芯中磁通密度;

tgα——由局部磁滞回线决定的导磁率.

以式(1)的稳态值作为式(2)的初始值，将磁滞回线作为已知参数，求解式(2).当CT回路二次电流衰减为零时，式(4)计算所得即为CT铁芯剩磁.

1.3 CT二次电缆的磨损

现有的保护装置和设备通常只能对CT断线进行监测，而对于二次电缆的磨损、介于断线和正常运行之间的状态不能得到有效反映.电力系统正常运行时，电流互感器可以正确传变一次电流，但当二次电缆磨损后，故障相当于大电阻短路，使流入保护装置内的三相电流之间的幅值和相角发生变化，不能正确反映一次设备的运行状态，从而导致保护误动.

CT铁芯工作在线性区，励磁支路电流很小，可以忽略不计，而CT一次侧系统可等效为恒流源.由于CT绕组是三相对称的，二次电缆一般捆绑在一起进行铺设，微机保护内部的隔离互感器选用型号一致的器件，故可以认为三相CT二次绕组的电阻、二次回路电缆、负荷电阻均相等，分别为RTA，RW，RL.假设TA二次回路A相和B相电缆在p点和q点发生磨损，即通过大电阻短路，此时二次电缆电阻RW分为RW1和RW2两部分，短路过度电阻为Rf.对CT二次电缆磨损的分析如图4所示.

图4 CT二次电缆磨损的分析示意

CT二次回路通过过渡电阻短路时，流入保护装置内部的三相电流之间的幅值和相角如图5所示，其中没有故障的那一相幅值和相角没有改变.发生故障的两相电流幅值相等，相角分别向顺时针和逆时针旋转相同的角度θ1.

图5 CT二次电缆磨损后流入保护装置的三相电流

因此，电力系统在正常运行时，有一相电流最大，其余两相电流较小且幅值相等，相角差小于120°，则电流较小的两相二次电缆之间可能发生了磨损短路现象.

1.4 CT二次回路断线

正常运行的CT的二次绕组接近于短路状态，一次电流和二次电流产生的合成磁通仅为一次电流产生磁通的百分之几.当二次侧开路时，二次电流为零，一次电流全部用于励磁，电压幅值很高.CT电流回路某一相断线后，将会形成不平衡电流和较大差流，严重时可能会使变压器差动保护误动.本文研发的装置利用现有微机保护装置中的CT断线检测功能，能够对CT二次回路的断线故障进行有效监视.

2 TA二次回路监视在数字化变电站的应用

2.1 数字化变电站及监视装置的应用

数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息的共享和互操作的现代化变电站.［8-9］IEC 61850将数字化变电站分为过程层、间隔层、站控层3层，各层内部及各层之间采用高速网络通信，与常规变电站相比，主要对过程层和间隔层设备进行升级.

本文研发的装置主要用于监视传统互感器到合并单元的电缆状态，其在数字化变电站中的应用如图6所示.

在数字化变电站中，站控层由计算机网络连接的系统主机、工作站等设备组成，实现全站监控，形成管理中心;间隔层设备由按间隔对象配置的保护装置(IED)、测控装置、计量装置等设备组成，实现开关控制、遥信采集等功能;过程层由互感器、开关量输入输出、电缆和通信等设备组成，主要完成开关量接收、发送和交流采样等与一次设备相关的功能.图6中，间隔1中的变压器两侧CT经过电缆将二次电流值送入合并单元，该电缆的状态监视可以由本装置完成，其监视范围如图6中虚线框所示.

图6 数字化变电站中的CT二次回路监视装置

2.2 数据采集

为了方便现场使用与监视，不影响继电保护运行的可靠性，可将合并单元处采集到的数据送进本装置，以实现在线监测二次回路运行状态的功能，装置安装位置如图6所示.对于其他间隔中二次回路电缆的状态监视，可以使用多台本装置，采用同样的方法来实现.然后将n台监视装置独立成网，将全站二次回路电缆信息汇总至监视工作站，由监视工作站完成信息的集中、处理、监视及告警.

2.3 功能实现

本装置的功能实现是由数据采集、计算、通信、报告、维护等几个部分构成，以二次电缆发生磨损为例，分析具体流程如下.

(1)数据采集 采集两圈变压器高低侧的电流和电压，分别为高、低压侧6个电流和6个电压，形成环形缓冲区，每周波24点.

(2)计算 使用全周傅氏算法计算12个通道基波的幅值和相角.计算三相差动电流、三相制动电流，使用小矢量算法计算三相差流和三相制动电流的幅值，给出判别结果.

(3)通信 通过CAN总线和MODBUS规约接受DSP板传过来的数据，包括录波数据、告警报告、电气量幅值相角、参数定值等.

(4)报告 根据判别结果，形成监测报告.

(5)维护 可通过RS232串口把接收到的数据传送给PC电脑，用于设备状态的监视和后期软件的维护.

3 装置介绍

3.1 硬件功能

(1)数据采集及计算 每周波24点，使用全周傅氏算法计算基波的幅值和相角.使用小矢量算法计算三相差流和三相制动电流幅值.

(2)通讯功能 接收录波数据、告警报告、电气量幅值相角、参数定值等数据;发送参数定值.

(3)液晶显示 显示内容包括:各电气量的幅值和相角;通过转角补偿后的各侧电流幅值和相角;报告;参数值.

3.2 软件功能

软件功能包括:变压器各侧CT断线判别;变压器各侧PT断线判别;变压器区外故障时，CT饱和判别;变压器各侧CT极性是否接反判别，即计算参与差流计算的各侧电流的相角和，若接近0°则表示极性接反，发出告警报告，并点亮告警灯.

4 结语

本文从数字化变电站二次回路出发，研究了数字化变电站的二次回路电缆监视的几个问题.分析了CT断线、CT饱和、剩磁计算、电缆磨损等问题;提出了变压器区外故障CT饱和判据，有效防止了差动保护误动;建立了剩磁计算模型，并给出了相关的计算方法;提出采用相量法来判别电缆是否发生磨损.研发的一台变压器二次回路监测装置，实现了以上功能，具有良好的应用前景.

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