电流类在线监测装置测量准确度和可靠性分析

邹成伍，吴剑芳

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

电流类在线监测装置测量准确度和可靠性分析

邹成伍，吴剑芳

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

电流类在线监测装置包括变压器铁芯接地电流在线监测装置、电缆护层环流在线监测装置、变压器中性点直流偏磁在线监测装置等，针对在线监测装置在入网检测和生产现场调研中出现的一些问题，从结构原理、测量方法等方面进行了分析，旨在提高在线监测装置的测量准确度和可靠性。

在线监测；铁芯接地电流；中性点；直流偏磁；护层环流

0 引言

目前各类电流在线监测装置在电网中应用广泛，如变压器铁芯接地电流在线监测装置是判断变压器铁芯多点接地故障的主要手段之一，电缆护层环流在线监测装置是实现金属护层电流实时监测、确保电力电缆安全稳定运行的重要依托，变压器中性点在线监测装置在监测和分析直流偏磁方面发挥着重要的作用。然而，在线监测装置在应用中也存在不少问题，特别是测量准确度和可靠性方面不够理想，部分装置的监测数据可信度较差[1]。因此，亟需探索提高在线监测装置测量准确度和可靠性的方法。

1 电流类在线监测装置概况

电流类在线监测装置主要由电流采样装置和IED（智能电子设备）构成，影响在线监测装置整体准确度和可靠性的原因主要在于电流采样环节的精度，以及主机对数据的处理，如测量范围裕量、预警阈值等。以下根据批量电流类在线监测装置入网检测试验结果和数据，结合相关理论方法和现场实际，对影响在线监测装置测量准确度和可靠性的因素进行了较全面的总结和分析，并提出改进、优化的方法和建议。

2 电流采样环节优化

电流采样环节是在线监测装置数据的源头，其准确度和可靠性在很大程度上决定了在线监测装置整体的准确度和可靠性。

大部分装置采用单匝互感器作为电流传感器，其外壳可以采用不锈钢材料全密封设计，具有防水防锈功能。传感器和数据采集模块之间采用硬件隔离，以确保装置具有较高的抗干扰能力和可靠性。传感器的形式、形状各异，有开合型、有密闭型，也有圆形、方型，无论何种形式的传感器安装后都不能影响变压器的运行和维护。

单匝互感器类似于钳形电流表，虽然使用方便，成本较低，但是由于其结构和原理的原因，测量精度较低，且随机性较大。另外，由于现场环境往往存在很强的电磁干扰，会极大地干扰电流传感器的测量准确度，因此需要寻求更加可靠的采样方式。

2.1采用分组传感器

采样环节采用分组传感器即是一种改善效果较为明显的方法。每台装置配置2个传感器，通常小量程的传感器用于采集1 A以下的小电流，大量程的传感器用于采集较大电流，常用的接线方式如图1所示。

图1 采用分组传感器的接线原理

这种方式下，只要解决好量程自动转换、避免采集冲突等问题，电流测量准确度和可靠性即可得到明显的改善。表1为分别采用传统电流互感器和分组电流互感器的2批变压器铁芯接地电流在线监测装置检测结果。

表1 分组传感器的改善效果

2.2 直接对测量回路进行标定

串入采样电阻的方法在实际应用中有一定的局限性，因而提出一种改进形式，直接对回路进行标定，接线如图2所示。在待测量的接地线或者中性线上选取一段,夹上电压电流线，首先通过在线监测装置主机内的标准源，标定出其电阻值；再通过测量夹子之间的电压值，进而得到要测量的电流值。通过屏蔽电缆传输采集到的电流量，采用相应的算法，根据变换后离散的采样值计算出电流基波幅值，从而提高采集和运算精度。

这种方法原理简单，实际应用效果理想。武汉某厂家基于类似原理生产的变压器中性点在线监测装置，用于监测直流偏磁，其在试验室检测结果见表2。

图2 直接对测量回路进行电阻值标定的接线方式

表2 变压器中性点监测装置入网检测结果

该产品的入网检测数据与采用传统电流传感器的宁波某厂家产品检测数据对比见表3。

表3 采用电阻标定方法的改善效果

由表2和表3可知：采用电阻标定法的监测装置，具有较高的合格率；标准偏差小，数据稳定；误差较小，准确度高。

2.3 串入采样电阻

由于安装现场往往存在强电磁干扰，对电流传感器的影响非常明显。因此，可以考虑串入采样电阻，即在测量回路中串入一个稳定、精密的纯电阻，通过测量采样电阻两端的电压来间接得到电流值，原理如图3所示。

当220 kV变压器铁芯串接电阻小于500 Ω，110 kV变压器铁芯串接电阻小于1 kΩ时，不会影响变压器的运行[7]。为保证所测得的电流信号真实可靠，使新加的提取信号设备对被监测设备运行状态的影响尽可能小，综合考虑可选用2 Ω的纯电阻。

图3 在测量回路中串入采样电阻

2.4 加装补偿线圈

电磁干扰的主要原因是：变压器内部存在通过空气或绝缘油闭合的漏磁通，它的大小取决于负载电流的大小。由于漏磁通难以做到完全屏蔽，它会通过箱体法兰等气隙处发散到箱体外部，而气隙处的磁阻很大，导致发散至变压器箱体的磁场数值仍然较为可观，会对铁芯引下线处的磁场带来较大畸变，造成铁芯接地电流测量不准确。因此，在同一铁芯接地线路上，不同位置测出来的接地电流值可能差异很大。

在测量变压器铁芯接地电流时，针对上述空间电磁干扰的影响，可采用加装补偿线圈的方式解决：在相同测量位置处加装一个补偿线圈，其产生的电流方向和采样线圈的电流方向相反，以抵消空间磁场产生的干扰电流，从而得到铁芯接地电流的真实值，实现装置的抗干扰功能。这种方式能够大大抵消空间电磁场带来的干扰，得到铁芯接地电流的真实值。

3 裕量和阈值

3.1 设定合理的裕量

根据国网技术规范[6]，变压器铁芯接地电流在线监测装置的测量范围为1 mA～10 A，浙江省电网对测量精度要求的范围为50 mA～1 A[7]。因此，测量范围的上下限分别为1 mA和10 A，测量精度要求可以适当放宽，但不允许出现偏差极大的值或者完全错乱的异常值，以免造成装置的误告警和运维人员的误判。

上海某厂家生产的变压器铁芯接地电流在线监测装置，总计165台，首检时10 A测试点误差较大的有58台，异常值有5台。

北京某厂家生产的变压器铁芯接地电流在线监测装置，总共76台，首检时1 mA测试点误差较大的有19台。

因此，在线监测装置在电流采样设备选用、IED的设计和软件编写时，要考虑留有测量范围的裕量，在测量范围上下限时，测量精度要求可以适当放宽，但不能出现偏差极大的值或者错乱的异常值，以免造成装置的误报警和运维人员的误判。

3.2 设定合理的预警阈值

在线监测装置需要能设置预警阈值，当检测值超过预警阈值时，监测装置能发出预警信号并采取相应措施。由于现阶段监测数据的积累还不够充分，未达到制定分析判断标准的要求，预警阀值的设置还缺乏充分的依据[4]。大部分监测装置都利用由计算公式和数学模型得出的数据进行预警预测，与实际运行存在一定的差异。

以变压器铁芯接地电流监测装置为例，根据《电力设备预防性试验》规程[5]，运行中铁芯接地电流一般不大于100 mA。因此，变压器铁芯接地电流监测装置默认的预警阈值一般预设为100 mA。随着直流特高压工程的投运，直流偏磁现象对部份变电站的影响较为明显。在线监测装置测量值一旦超过设定的预警值，势必会引起运维人员的高度重视，甚至进行非计划的停电检修，但是往往停电后进行试验却发现铁芯绝缘良好，没有发生多点接地等故障，造成了不必要的停电，造成的直接损失和间接损失很大。

因此，这也对在线监测装置的预警阈值设定和历史数据分析功能提出了更高的要求。目前需要不断积累监测数据量，进一步完善在线监测系统软件，使其能够更准确地处理监测数据，得到贴近运行实际的预警阈值，提高状态分析的准确性和智能化水平。

4 相关的辅助措施

4.1 设置限流单元

由于国网技术规范对限流单元不是强制性要求[6]，在入网检测中发现，部分在线监测装置未配置限流单元，或者配置的限流单元不能完全满足规范的建议要求。规范中建议，一般限流电阻投入的电流值设定为100 mA。未设置规范的限流单元的监测装置，经常不能正确实现电阻投切和相关的预警、保护动作；另外，这类装置在电阻投切的临界值附近，极易发生测量不准确或者出现异常值的情况。如上海某厂家生产的未配置规范限流单元的变压器铁芯接地电流监测装置首检结果如表4所示。

表4 未配置规范限流单元的监测装置首检情况

杭州某厂家生产的电缆护层环流监测装置，采用8个有线10K线尾电阻防区，相关技术指标符合国网技术规范要求，首检情况如表5所示。

表5 配置规范限流单元的监测装置首检情况

对比表4、表5可以看出，配置符合规范的限流单元的在线监测装置拥有更好的测量准确度和稳定性。因此建议，电流类在线监测装置都应配置符合规范的限流单元。

限流单元主要由限流电阻、继电器、电压保护单元等组成，串接在回路中，一种典型的限流单元如图4所示。控制投、切限流电阻的电流值可根据现场实际运行情况分别设定；投、切限流电阻，不应导致死循环；限流单元应具有过压保护功能，当电压大于设定值时，保护单元应可靠动作。所选的电阻功率要适当大，防止发热烧坏。同时，这种串接电阻的方法，能防止接地故障消失后造成铁芯出现高的悬浮电位。

图4 限流单元电路

4.2 抗干扰技术

为了抑制变化电磁场的干扰，IED可采用金属外壳，并将外壳良好接地；同时将系统地浮空，这样可提高抗共模干扰的能力。信号通过屏蔽线连接到IED上，信号电缆可采用镀锌管等加以保护。

电路保护措施方面，可在运算放大器输入电路前加TVS管（瞬变电压抑制二极管），前置放大部分采用低温漂、高精度型放大器及高精密电阻，保证模拟放大通道的稳定性。同时应考虑电磁兼容设计，针对不同的干扰形式分别采取不同的措施，以消除能量反射、驻波等问题；输出端口设置共、差模滤波器，以保证通信良好。主机软件检波采用脉冲分时复用技术和脉宽检波算法等，有效滤除装置运行过程中产生的各种干扰。

5 结语

未来在线监测装置将朝着具备自检测、自诊断功能和智能化的方向发展。通过从电流采样环节、阈值和裕量设置、主机和软件设计及抗干扰等环节进行优化，可提高电流类在线监测装置的测量准确度和可靠性，使在线监测装置能够发挥更加切实、高效的作用。

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[5]DL/T 596-1996电力设备预防性试验规程[S].北京：中国电力出版社，1996.

[6]Q/GDW 1894-2013变压器铁心接地电流在线监测装置技术规范[S].北京：中国电力出版社，2014.

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[8]王海欧，林凌.变电站接地线在线监测系统的研究与开发[J].浙江电力，2015，34（6）∶25-26.

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（本文编辑：方明霞）

Accuracy and Reliability Analysis of On-line Current Monitors

ZOU Chengwu，WU Jianfang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

On-line current monitors consist of on-line monitoring device of transformer core earthing current, on-line monitoring device of cable sheath circulation，online monitoring device of DC bias of transformer neutral point，etc.For problems of online monitoring devices in grid access testing and investigation in the production field，the paper analyzes the structures and measuring methods to improve the accuracy and reliability of on-line current monitoring device.

on-line monitoring；core earthing current；neutral point；DC bias；sheath circulation

TM732

B

1007-1881（2017）01-0023-04

2016-06-22

邹成伍（1990），男，助理工程师，从事电气测量的检定检测及研究工作。