电子式电流互感器二次回路故障在线诊断研究

安超印，张玉玲

(1.国网河南省电力公司, 河南， 郑州 450032；2.河南九域博慧方舟咨询发展有限公司， 河南， 郑州 450032)

0 引言

如今，随着电力传输容量的不断增加，对变电站系统中电流互感器的安全运行时间的要求也越来越高，之前的电磁式电流互感器，也逐渐暴露出了对绝缘要求高、动态范围小、频带窄、有油易燃易爆炸等缺点[1]。本文提出了电流互感器二次回路故障在线诊断来解决之前故障诊断研究中存在的部分问题。本文将变电站系统作为实验对象，对研究对象构造电路模型，然后将电路模型计算出的互感器的输出值进行比较得到具有残差故障的信息，其次然后分析故障特征，最后利用分析结果对电子式互感器渐变性故障进行辨识。

1 方法

1.1 电流互感器二次回路常见故障原因及基本检测方法

故障的主要内容可以分为3点：① 两点接地问题，如果电流互感器有两点接地的现象产生，就会导致整体电路二次回路导入地，并产生线路分流。使得一次系统的运行状况无法通过二次系统得以反应，导致监控系统运行出错。② 电路出现断路问题，如果电流互感器有短路的现象产生，电流互感器中的二次回路无法得到一次系统的电流情况，就会在互感器二次产生较高的电压。③ 电气设备接线错误的问题， 一个电流互感器往往需要连接多个设备，如果电气设备间出现接线杂乱就有极大可能会导致整个电路系统短路。影响整个电路的安全运转[2]。常见的电流互感器检测方法可以分为3种，其分别为① 绝缘检测法。即将被测电路的接地端断开，然后利用绝缘电阻测量仪对系统的绝缘性进行测量。这种做法的优势在于不仅可以快速找到电路系统的接地点还可以测量电路系统的绝缘性得以测量。② 电路直流测试法。该方法可以分为两种其分别为欧姆表检测法和搭建电路互感器综合检测法，其中综合检测法的实施方法为首先断开电路系统的连接段，让电流互感器和二回路进行分离，对互感器回路数据进行测试。也可以对互感器的二次系统的组别进行递推，从而自动检测互感器的电流比[3]。③ 另外还可以对互感器的匝数补偿值与二次绕组内阻抗进行测试，然后根据测试结果对截面大小、磁场强度、仪表保安系数进行测定。这个方法是一个较为高效的电流互感器二次回路系统的检测方法[4]。

1.2 电路模型的建立

本文首先将由变电站输出的输电线路等效成相同的多个由电阻、电容、电感组成的电路单元串联成的电路模型，由图1可以看出电路单元中电阻和两个电容进行串联，没有电容的一段为输入端，有电容并联的一端为输出端，模型中还包含电感等其他元件，其次对每个小电路单元建立电路参数微分方程，将方程进行递推，即可求得等值电路模型的线路上各点的电流值。然后根据波动原理，将电磁波沿线路的传播过程电路化，使得分布参数线路上的任何一点电流和距离与时间呈函数关系[5]。

图1 变电站输出的输电线路等效示意图

本文构建的等效电路中的电压方程如式(1)，电流方程如式(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)表示每个单元输出端电压，ua-1(t)表示每个单元的输入端的电压，Δx表示每个单元的长度，ia-1(t)表示每个输入端的电流，ia-1(t)表示对输入端电流求一阶倒数，ia(t+Δt)表示每个输出端的电流，t表示电压电流进入单元输入端的时间。利用式(1)、式(2)进行反复推算可以得到输电线路输出端的电流和电压值如式(3)：

(3)

式中，ig(t)表示输电线路末端的电流序列分量，im(t)表示输电线路首端的电流序列分量，C表示输电线路等效电容，X表示输电线路的长度，R表示输电线路的等效电阻，L表示输电线路的等效电感。

本文等效的电路模型也将分布电容纳入考虑因素，并且由于电导几乎不影响对输电线路的性能，因此在本文等效的电路模型中电导对输电线路的影响忽略不计[13]。基于上述分析对系统性能的分析，本文建立一个多阶距离无穷小的分布参数数学模型来建立线路两端间的约束关系，即由输电线路一端的电流电压采样值计算输电线路另一端的瞬时值。本文中的变压器可以近似等效成电路模型，然后在这个电路模型的基础上利用电磁耦合构建了一个考虑铁磁磁滞的变压器模型，进而建立变压器元件两端的电压电流联系，然后由变压器一次侧的电压值，电流采样值，得到二次侧电流的瞬时值is，如式(4)：

(4)

式中，N1表示为变压器一次侧绕组匝数，N2为变压器二次侧绕组匝数，B为磁通密度，μ0为真空磁导率，M为磁化强度。

本文构建的ECT的渐变性故障诊断方法可以分为5步，如图2所示。

(1) 利用相关测量设备采集变电系统中ECT的输出信号。

(2) 分别计算t时刻时输电线路末端和变压器二次侧的力理论电流瞬时值。

(3) 分别计算输电线路首段和末端的变压器一二次侧ECT的残差值。

(4) 对电子式电流感器的渐变性故障进行判断。

(5) 采集变电站母线上每个支路的互感器的瞬时值，然后对这些瞬时值做电流检测，并利用电路检测的结果对发生故障的互感器的具体位置进行查找。

图2 系统流程图

1.3 实验环境

本文于2020年9月1日至2020年11月31日期间对一个输电线路电阻参数为0.021 Ω/km，电感参数为8.981 Mh/km,电容参数为0.012 9 μF,三条输出线长度分别为300 km、400 km、500 km。变压器的额定电压为24 kV/512 kV,额定容量为223 MVA的变电站系统中的ECT进行在线监测，并进行故障诊断。本文将3个月的实验周期按自然月划分为3个阶段，分别为系统初期实验阶段，系统中期实验阶段，系统后期实验阶段。

2 结果与讨论

2.1 系统初期实验结果检测

表1为2020年9月21日，本文建立的诊断系统位于初期实验阶段时ECT的线检测数据及3条不同线路和变压器上的计算残差。

表1 各序列残差电流对比表

由表1对各序列残差电流的检测值可以发现，线路A、线路B、线路C和变压器间的残差都小于残差阈值，证明ECT无渐变性故障发生。后经现场检验无故障，检验结果证明，本文构建的ECT的故障诊断方法正确。

2.2 系统中期实验结果检测

表2为2020年10月7日，本文建立的诊断系统位于中期实验阶段时ECT的线检测数据及3条不同线路和变压器上的计算残差。

表2 各序列残差电流对比表

由表2的实验结果可以看出，从线路A上第三个采样点开始残差值高于设定的残差阈值，线路B和线路C和变压器计算的残差没有超过残差阈值，可以说明线路A上有渐变性故障产生。线路B和线路C上没有渐变性故障产生。然后对变电站母线上所有支路的ECT做基尔霍夫检测，检测结果显示流入母线的电流矢量和比残差阈值大，说明发生故障的互电流感器位于线路A的首端。此时对现场位于线路A的首端进行检测，发现其确实存在故障。检验结果证明，本文构建的ECT的故障诊断方法正确。

2.3 系统后期实验结果检测

表3为2020年11月26日，本文建立的诊断系统位于末期实验阶段时ECT的线检测数据及3条不同线路和变压器上的计算残差。

表3 各序列残差电流对比表

由表3的实验结果可以看出，从线路B上第3个采样点开始残差值高于设定的残差阈值，线路A和线路C和变压器计算的残差没有超过残差阈值，可以说明线路B上有渐变性故障产生。线路A和线路C上没有渐变性故障产生。随即对变电站母线上所有支路的ECT做电流检测，电流检测结果显示每条母线上的电流矢量和比残差阈值小，说明发生故障的互电流感器位于线路A的末端。此时对现场位于线路B的末端进行检测，发现其确实存在故障。检验结果证明，本文构建的ECT的故障诊断方法正确。

3 总结

本文针对之前ECT故障检测中存在的问题，构建了一个ECT故障检测系统，本文首先利用变电站系统中相关器件的电气关系建立了一个含有线性器件的电路模型，然后获取输电线路首端的电流电压采样值，并推算线路末端电流的理论值，利用其差值来构建残差，进而提取ECT的故障信息，最后对提取出的故障信息进行分析，对电子式互感器产生的渐变性故障进行分析，并利用母线上进行电流检测对发生故障的ECT在线路上的位置进行较精确判断。本文构建的模型不仅具有操作简便，计算精度高的优点，而且可以根据不同场合，不同要求灵活的调节故障阈值。其可在不对ECT进行断电断网的情况下，实现其在线故障诊断。但本文构建的系统也存在着一定的不足，其只能对ECT二次回路上出现的渐变性故障进行在线诊断，而无法对其他类型的故障进行在线诊断，针对这个问题本文也将在后续的工作中继续进行研究。