注入式高压隔离开关刀闸状态在线监测系统研究

倪传坤 黎恒烜 陈海龙 邓茂军 张艳超

摘 要：本文提出一种注入式高压隔离开关刀闸状态在线监测系统，通过电压互感器开口三角绕组，将外加电源信号注入高压隔离开关刀闸监视回路，在线监视高压隔离开关刀闸的状态。本方法能够可靠监测轻载、空载、重载线路高压隔离开关刀闸的运行状态。同时还具有监测精度高、速度快、持续工作能力强等优点，可以方便、快捷、可靠地监测开关刀闸运行状态，很好地满足系统对开关刀闸运行状态监视的需求。

关键词：注入式;高压隔离开关刀闸;在线监测

中图分类号：TM564.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0039-03

Abstract： This paper proposed an on-line monitoring system for the injection high-voltage isolating switch knife gate state. The injected signal power supply injects the power signal into the monitoring circuit of high-voltage disconnector switch through the open triangle winding of voltage transformer， and monitors the state of the high-voltage disconnector switch on-line. This method can reliably detect the operating state of the switch and switch of the high voltage isolation switch for light load or no load lines. At the same time， it has the advantages of high detection accuracy， high speed and strong continuous working ability. It can detect the operation status of switch conveniently， quickly and reliably， which satisfies the requirement of the system for monitoring the operation status of switch switch .

Keywords： injection type;high voltage disconnector knife gate;on-line monitoring

斷路器和隔离开关作为变电站重要的一次设备，可能存在因部分机械构件松动卡涩或老化导致合闸不到位的情况。目前，通常采用测控装置采集的二次辅助接点状态判断其位置。这种指示方式在主触头不完全到位的情况下，不能作为一次设备位置的可靠判据。

目前，判断隔离开关的状态多采用人工现场观测、主观判断的方法。这种方法主观性较强，而且准确性和效率较低。现有的隔离开关状态自动监测方法主要有测温法、测力法、测距法、光学法、图像法等[1-3]，存在成本高、可靠性低等问题。

针对以上问题与需求，本文提出了注入式高压隔离开关刀闸状态在线监视方案。本方案可以实时计算注入系统的注入电压、注入电流的大小以及零序阻抗大小，并能够根据需要对报警值进行预先设定，当计算值大于设定值时，会发出报警或跳闸，能有效对高压隔离开关刀闸运行状态起到监测预警作用，同时还具有监测精度高、速度快、持续工作能力强等优点，可以方便、快捷、可靠地实现对高压隔离开关刀闸运行状态的监测，很好地满足了系统对高压隔离开关刀闸运行状态监视的需求。

1 注入式开关刀闸状态监测基本原理

注入式高压隔离开关刀闸状态监测的基本原理是通过电压互感器开口三角绕组向系统注入非工频信号（小信号），监测注入信号的电流、电压，并计算零序电阻的特征变化，采用电流智能比对及阻抗综合判别的高压隔离开关刀闸状态。

在工作期间，注入电源向系统中注入低频电压，若开关刀闸正常，不存在因部分机械构件松动卡涩或老化导致合闸不到位的情况，低频电流通过系统及接地返回，零序阻抗较小，注入的电流在3个完整的零序路径中流动，流经变压器次级绕组并流出绕组。这种零序模式下，阻抗相对较低（数百或数千欧姆）;若开关刀闸部分机械构件松动卡涩或老化导致合闸不到位，低频电流通过系统正常相、合闸不到位的开关刀闸对地电容阻抗及接地返回，零序阻抗较大，注入的电流在完整的零序路径及缺相的零序阻抗中流动，流经互感器次级绕组并流出绕组。这种零序模式下，阻抗相对较大（数兆欧姆），零序电阻的特征及零序电流的变化较明显[4]。

2 注入式开关刀闸状态预警监视系统

2.1 监视系统的构成

注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统构成如图1所示[5]。

注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统一般包含低频注入电源、低通滤波器、电流、电压监测计算模块以及控制模块等。低通滤波器的作用是使整个监测系统的特性对工频50 Hz电流阻抗很大，而对自身产生的非工频电流阻抗值极小。低频电源经过低通滤波器后，叠加于电压互感器三角绕组二次侧，通过电压互感器原边耦合至一次侧。

注入电压的选取要求如下：①注入频率与系统频率不一样，可简单地利用低通滤波器隔离系统干扰;②由于保护装置的噪声比高，只要很小的偏移电压就能可靠动作，注入电压的幅值不超过系统额定相电压值1%～3%，故对系统的中性点电压偏移无影响，不影响系统的正常测量。

测量回路主要包括注入电流互感器采用高精度电流互感器，作用是测量注入回路零序电流，提高测量精度;注入电压互感器的作用是测量注入电压。注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统微机装置主要包括模拟量采集回路、采样保持（S/H）和模/数（A/D）转换、CPU逻辑运算、信号出口、人机接口等。

2.2 注入式开关刀闸状态监测零序等效回路

注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统注入信号零序等效回路如图2所示。

在工作期间，注入电源Un向系统中注入低频电流，若开关刀闸正常，不存在因部分机械构件松动卡涩或老化导致合闸不到位情况，低频电流通过变压器零序阻抗Zt0、系统零序阻抗Zs0及接地返回，系统等效零序阻抗Z0较小，注入的电流在3个完整的零序路径中流动，流经变压器次级绕组并流出绕组。这种零序模式下，零序阻抗Z0相对较低（数百或数千欧姆）;若开关刀闸部分机械构件松动卡涩或老化导致合闸不到位，低频电流通过变压器零序阻抗Zt0、开关刀闸线路对地电容零序阻抗及接地返回，等效零序阻抗Z0较大，注入的电流在完整的零序路径及缺相的零序对地电容阻抗中流动。这种零序模式下，零序阻抗Z0相对较大（数兆欧姆），零序阻抗的特征及零序电流的变化较明显。

2.3 注入式开关刀闸状态监测判据

注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统判据包含零序阻抗判据和零序电流判据以及注入电源回路异常监视功能。同时，装置引入高压侧电流，电压用于线路重载情况下开关刀闸状态监视及故障区分。

2.3.1 动作判据。①阻抗判据，公式如下：

（1）

装置测量注入回路的电压及电流，采用傅里叶变换计算低频分量电压、电流大小，实时计算回路零序阻抗。当测量阻抗大于定值时，装置经延时告警或跳闸。

②电流判据，公式如下：

（2）

装置测量注入回路电流，采用傅里叶变换计算低频分量电流大小，实时监测注入电流的大小。当测量注入电流小于定值时，装置经延时告警或跳闸。

③辅助判据。辅助判据主要用于监视注入电压、电流回路的异常，当注入回路异常时闭锁监测功能，保证装置监测功能的可靠性，公式如下：

（3）

当注入回路的电压、电流都大于门槛值时，表示注入回路正常，装置正常工作;若注入电压或注入电流任一项低于门槛值时，表示注入回路断线或异常，此时闭锁监测功能。

④高压侧负序过流判据，公式如下：

（4）

测量高压侧电流工频分量，计算负序电流分量。当负序电流大于定值时，装置经延时告警或跳闸。此判据主要用于线路重载开关刀闸状态监视。

2.3.2 动作逻辑。注入式高压隔离开关刀闸在线监测系统逻辑如图3所示。

当高压隔离开关刀闸线路轻载或空载合闸不到位时，保护装置检测注入的电压、电流信号，通过计算零序阻抗阻值、零序电流大小来判断高压隔离开关刀闸运行状态。

在注入回路正常条件下，当判据（1）（2）任一项满足时，装置经延时t1告警或跳闸。当开关刀闸线路重载缺相运行时，保护采用注入式原理判据和高压侧负序电流判据构成双重化的高压隔离开关刀闸运行状态监测判据。当开关刀闸线路重载缺相運行时，当判据（4）满足时，装置经延时t2告警或跳闸。

为了保证高压隔离开关刀闸运行状态监测的选择性及可靠性，逻辑图中引入了非故障检测模块，该模块包括用于检测线路隔离开关的几种类型的非断相故障功能。主要包括线路侧相间故障、接地故障等。这些故障通常由变压器或高压侧线路保护方案保护。

3 结语

本文介绍了一种全新的注入式高压隔离开关刀闸状态在线监视系统，通过电压互感器开口三角二次绕组，将外加电源信号注入电力系统，通过检测注入回路零序阻抗、电流的大小，采用电流智能比对及阻抗综合判别的方法监测高压隔离开关刀闸状态。本方法能够有效在线监测轻载、空载、重载线路高压隔离开关刀闸的运行状态。同时还具有检测精度高、速度快、持续工作能力强等优点，可以方便、快捷、可靠地实现对高压隔离开关刀闸运行状态的在线监测，很好地满足系统对高压隔离开关刀闸运行状态监视的需求。

参考文献：

[1]张艳，田竞，叶逢春，等.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器，2005（2）.

[2]周小涵，白申义.智能真空断路器的同步关合控制[J].低压电器，2009（11）.

[3]白申义，李刚，周水斌，等.真空断路器智能控制装置[J].低压电器，2010（6）.

[4]张芜.电力系统非全相运行时相序电流和相序电压的关系[J].继电器，2003（11）.

[5]毕大强，王祥珩，余高旺，等.高精度外加20 Hz电源定子单相接地保护的研制[J].电力系统自动化，2004（16）.