朱丹

(云南電網(wǎng)公司德宏供電局，云南 德宏 678400)

電流互感器二次回路綜合評(píng)估新技術(shù)研究

朱丹

(云南電網(wǎng)公司德宏供電局，云南 德宏 678400)

結(jié)合電能計(jì)量裝置檢測(cè)相關(guān)技術(shù)，分析電流互感器二次回路綜合評(píng)估的新技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法，展望了相關(guān)新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的方向。重點(diǎn)介紹了電流互感器及二次回路高頻導(dǎo)納法的測(cè)試原理和測(cè)試方法，以及通過導(dǎo)納測(cè)試數(shù)據(jù)來判斷電流互感器及二次回路的方法。

電流互感器；帶電測(cè)試；高頻導(dǎo)納

0 前言

為了保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量，一般的測(cè)量和保護(hù)裝置不允許直接接入一次高壓設(shè)備，需要將一次系統(tǒng)的大電流變換成小電流，才能供測(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置使用，這就要用到電流互感器(Current Transformer簡(jiǎn)稱CT)。CT是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，由閉合的鐵芯和繞組組成，是當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要組成設(shè)備，是交流電流中二次系統(tǒng)和一次系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)元件，可用于給測(cè)量?jī)x器、保護(hù)和儀表、控制裝置等傳遞信息。對(duì)CT的檢測(cè)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的CT檢測(cè)方法主要是由專業(yè)人員定期攜帶儀器設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行周期檢驗(yàn)[1]，工作效率低、易出錯(cuò)，且不要求對(duì)CT二次回路實(shí)際負(fù)荷、在線運(yùn)行狀況進(jìn)行周期常規(guī)測(cè)試， 這種模式難以全面細(xì)致評(píng)估CT的實(shí)際運(yùn)運(yùn)行狀況，且存在一定的安全隱患；另外，不論針對(duì)CT及二次回路的阻抗還是導(dǎo)納，常規(guī)方法都是采取停電情況下進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的CT，目前尚無有效的手段去檢測(cè)其比差、角差及二次阻抗值。而單靠周期性的停電檢測(cè)不利于生產(chǎn)運(yùn)行，而且還不能及時(shí)檢測(cè)到CT的實(shí)際運(yùn)行情況，錯(cuò)過了維護(hù)的最好時(shí)機(jī)。帶電測(cè)試卻能夠很好地彌補(bǔ)這一缺陷，對(duì)于懷疑可能存在故障隱患的CT，可以有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行測(cè)試；對(duì)其它帶電運(yùn)行中的CT，通過定期帶電檢測(cè)，也可以達(dá)到評(píng)估在線運(yùn)行CT的狀況。本文結(jié)合一款新型的測(cè)試儀 (型號(hào)：505B)的基本原理和使用經(jīng)驗(yàn)，來探討CT及二次回路的帶電測(cè)試技術(shù)和通過測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電流互感器及二次回路綜合評(píng)估的方法。

1 電流互感器及二次回路帶電測(cè)試

505B測(cè)試儀采用全新的電子測(cè)量技術(shù)和電工測(cè)量技術(shù)，可以簡(jiǎn)化電路與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，方便對(duì)CT在線或離線進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，很容易串入在線CT的二次回路，實(shí)現(xiàn)CT二次負(fù)荷及二次回路導(dǎo)納的測(cè)試，滿足對(duì)CT工作狀況的檢測(cè)和評(píng)估需求[2]。

1.1 電流互感器二次負(fù)荷帶電測(cè)試

通過帶電狀態(tài)下采集CT二次電壓和電流進(jìn)行CT二次負(fù)荷測(cè)試。其中考慮到CT二次端電壓較小、現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)干擾較大等因素，系統(tǒng)對(duì)電壓信號(hào)的采集采用高阻抗的采集原理；電流的采集方式靈活，可通過電流夾鉗和將測(cè)試儀串接至CT二次回路兩種方法實(shí)現(xiàn)。采集到的電壓電流信號(hào)在測(cè)試儀中央處理器中由公式S=U×I計(jì)算出CT實(shí)際二次負(fù)荷。

接線方式如下，可根據(jù)實(shí)際使用需要選用。1)帶電CT二次負(fù)荷測(cè)試——采用夾鉗接入

圖1 夾鉗接線方式

2)帶電CT二次負(fù)荷測(cè)試——采用串接接入

圖2 串入接線方式

通過上述接線方式進(jìn)行測(cè)試CT二次負(fù)荷，可以很好地實(shí)現(xiàn)帶電測(cè)試的目的，并且不影響CT的正常工作。通過測(cè)量得出的CT實(shí)際二次負(fù)荷數(shù)據(jù)，可以對(duì)CT的工作狀況進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷和額定負(fù)荷的比例關(guān)系，判斷CT實(shí)際二次負(fù)荷是否工作在正常范圍內(nèi)，從而對(duì)CT計(jì)量或保護(hù)的準(zhǔn)確性做出判斷[3]。

1.2 電流互感器及二次回路高頻導(dǎo)納測(cè)試

1.2.1 技術(shù)背景

傳統(tǒng)的對(duì)CT評(píng)估方法一般需要升流器、負(fù)載箱和調(diào)壓器等多種設(shè)備，測(cè)試效率不高，查不到因長(zhǎng)時(shí)間惡化而產(chǎn)生的故障。研究發(fā)現(xiàn)，CT及二次回路在正常工作狀態(tài)下導(dǎo)納值基本不變，而在CT及二次回路發(fā)生故障時(shí)，如匝間短路、CT帶載能力惡化、二次端子接觸不良、計(jì)量回路被分流竊電等都會(huì)造成CT及二次回路的導(dǎo)納值偏移正常值，隨著時(shí)間推移，故障逐步惡化時(shí)導(dǎo)納值和正常值比起來往往會(huì)明顯出現(xiàn)較大的偏移。這是因?yàn)楫?dāng)一次暫態(tài)過程受不同負(fù)載時(shí)間常數(shù)的影響、殘留在鐵心的直流成分過多、匝間受絕緣破壞擊穿、溫升鐵心導(dǎo)磁率下降等情況都會(huì)反應(yīng)在鐵心阻抗的變化上。然而不僅CT內(nèi)部結(jié)構(gòu)的惡化會(huì)產(chǎn)生明顯的導(dǎo)納變化，其它的一些狀態(tài)也可能導(dǎo)致CT及二次回路導(dǎo)納的變化，可以從CT特性及二次回路的等值電路上來進(jìn)一步分析導(dǎo)納值變化和CT工作狀況的關(guān)系。

圖3 電流互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等值電路

CT在其線性工作區(qū)域可以被當(dāng)作一個(gè)恒流源，內(nèi)阻無限大，二次側(cè)的輸出不會(huì)因?yàn)槎呜?fù)載導(dǎo)納的變化而變化。當(dāng)二次阻抗持續(xù)增大時(shí)，二次勵(lì)磁電壓將會(huì)達(dá)到CT飽和點(diǎn)，此時(shí)，CT特性將會(huì)進(jìn)入非線性區(qū)域工作，從而勵(lì)磁電流增大，二次側(cè)電流將會(huì)被勵(lì)磁回路分流。從CT及二次回路的等值電路中 (圖3b)可以推算出CT理論誤差公式：

其中，Rct為二次回路直流電阻，x′2為CT一次折算到二次的漏抗。

Zb為負(fù)載阻抗，Y磁導(dǎo)納。

由上述分析可以得出，CT誤差和二次回路導(dǎo)納大小有關(guān)，二次回路導(dǎo)納或阻抗大小是由負(fù)載阻抗和勵(lì)磁阻抗因素決定。在正常工作情況下，負(fù)載阻抗基本不會(huì)變化，勵(lì)磁阻抗將隨著二次勵(lì)磁電壓E2=Es=i2(Zs+Zb)的變化而變化，通過查看CT的勵(lì)磁特性曲線我們可以更加直觀的了解到，如下圖4所示。

圖4 CT勵(lì)磁特性曲線

由上述可以得知，CT誤差受勵(lì)磁阻抗的影響，勵(lì)磁阻抗受勵(lì)磁電壓的影響。而造成CT誤差出現(xiàn)變化即勵(lì)磁電壓出現(xiàn)變化的因素有以下幾種[4]：

1)CT內(nèi)部故障引起，常見于內(nèi)部線圈絕緣破壞或CT漏磁；

2)CT初級(jí)電流出現(xiàn)直流成分；

3)CT二次回路電阻異常變化，常見于二次回路中端子銹蝕，接觸不良。

1.2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

CT內(nèi)部及二次回路出現(xiàn)的導(dǎo)納變化，都將反映在CT勵(lì)磁特性和二次回路阻抗的變化上，即二次側(cè)回路導(dǎo)納大小主要由負(fù)載阻抗和勵(lì)磁特性決定。反之，我們就可以通過測(cè)量得出的CT及二次回路的導(dǎo)納數(shù)據(jù)來推測(cè)CT的工作狀況。然而對(duì)CT二次回路阻抗、勵(lì)磁阻抗的在線、帶電測(cè)量卻難以實(shí)現(xiàn)。因此，本設(shè)備在利用上述研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)在運(yùn)行中的CT二次回路工頻電流上疊加一個(gè)異頻測(cè)試信號(hào)的辦法來達(dá)到測(cè)量CT及二次回路導(dǎo)納的目的。原理框圖如圖5所示，將測(cè)試儀串入被測(cè)CT二次回路中，測(cè)試時(shí)，主處理器控制產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，經(jīng)過波形轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)疊加到CT二次回路中去，然后，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波、交直轉(zhuǎn)換等一系列篩選處理后，對(duì)信號(hào)采集分析，進(jìn)而通過顯示屏將測(cè)試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。原理如上所述，但在實(shí)際測(cè)試中考慮到諧波及工頻信號(hào)對(duì)異頻測(cè)試信號(hào)的干擾，參照諧波干擾和信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線，如下圖6所示，選擇l kHz到2 kHz的高頻信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)效果較為顯著，且能夠滿足靈敏度要求。該監(jiān)測(cè)儀選用注入1.6 kHz的信號(hào)的方法進(jìn)行測(cè)試，1.6 kHz的頻率約為33次諧波頻率，能夠極大的減少諧波信號(hào)對(duì)測(cè)試造成的影響，避免了因二次電流的變化和干擾造成測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和抗干擾能力。且短時(shí)注入1.6 kHz的小信號(hào)，不會(huì)影響CT及二次回路的正常穩(wěn)定的工作。

圖5 CT及其二次回路高頻導(dǎo)納測(cè)試原理框圖

圖6 CT二次回路的高次諧波特性

1.2.3 技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試采取的接線方式如下圖7所示，將測(cè)試儀串入CT二次回路中，按下測(cè)試鍵，自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)，操作十分簡(jiǎn)單且設(shè)備因采用高性能處理器計(jì)算，測(cè)量數(shù)據(jù)具有速度快、精度高的特點(diǎn)。在該種接線方式下，會(huì)測(cè)試到包含電表在內(nèi)的整個(gè)CT及二次回路的導(dǎo)納數(shù)值。通過對(duì)比累積數(shù)據(jù)，CT正常情況下，總的結(jié)果偏移量不超過平均值的50%，而當(dāng)CT或二次回路發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)納值與正常情況下相比將會(huì)明顯偏差。同時(shí)，導(dǎo)納的角度值完全取決于CT的鐵芯材料，一般有鎳鐵合金、純硅鋼片等，然而材料確定的話角度一般是穩(wěn)定的，但當(dāng)CT異常時(shí)，角度也會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。故在實(shí)際判斷中便可以通過數(shù)據(jù)的比對(duì)來達(dá)到評(píng)估CT及二次回路工作狀況的目的。下面以常見的CT二次回路異常工作狀況為例，參照CT及二次回路高頻導(dǎo)納測(cè)試原理，分析導(dǎo)納值的變化情況，從而為判斷故障具體形成原因提供參考依據(jù)，方法如下：

根據(jù)測(cè)試儀實(shí)際測(cè)量CT及二次回路的導(dǎo)納值Y，推算出CT及二次回路的總阻抗Z。

具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

其中 C=G/(G×G+B×B)，代表回路阻抗的阻性成分，即實(shí)部

D=B/(G×G+B×B)，代表回路阻抗的電抗部分，即虛部

根據(jù)總阻抗的變化，結(jié)合實(shí)部和虛部的變化，來綜合分析。

1)假設(shè)CT二次回路分流，可能表現(xiàn)為竊電或其他意外情況，此時(shí)，等效于在CT二次回路上并接一個(gè)電阻，則CT負(fù)載阻抗減小，CT及二次回路總阻抗Z必然減少，主要為阻性分量的減小。

2)假設(shè)CT內(nèi)部匝間短路，CT內(nèi)部出現(xiàn)匝間短路，會(huì)使CT二次繞組阻抗減小，這將直接導(dǎo)致CT誤差發(fā)生變化。假設(shè)CT二次負(fù)荷阻抗(包括線路阻抗)沒有發(fā)生變化，我們可以根據(jù)測(cè)量線路總阻抗減去CT二次負(fù)荷阻抗來判斷CT鐵芯阻抗是否發(fā)生變化。

3)線路電阻增大，該情況一般是由于線路接觸片生銹或松動(dòng)等原因造成，此時(shí)，將導(dǎo)致CT二次負(fù)荷增大，引發(fā)計(jì)量誤差增大。具體表現(xiàn)為回路總阻抗增大，主要為阻性分量的增大。

圖7 CT及二次回路高頻導(dǎo)納測(cè)試接線方式

除了以上描述的二次回路異常情況外，現(xiàn)場(chǎng)還存在著很多種其它情況，比如：若電表發(fā)生故障，則會(huì)造成環(huán)路跨接、對(duì)地短路，此時(shí)測(cè)出的導(dǎo)納數(shù)據(jù)也會(huì)高出正常值，等等。這些異常也會(huì)造成導(dǎo)納值的偏高或偏低。我們就需要在實(shí)際運(yùn)用中結(jié)合以上技術(shù)原理和方法，通過對(duì)CT及二次回路的導(dǎo)納值定期監(jiān)測(cè)，建立起歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，將最新測(cè)量的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估CT及其二次回路的工作狀況[5]。另外，對(duì)導(dǎo)納值偏離正常值較大的情況也可以利用橫向和縱向比較法進(jìn)行分析，重視三相對(duì)比測(cè)量，重視每一相當(dāng)前和歷史變化走勢(shì)，重視持續(xù)變化的情況，同時(shí)也可以結(jié)合CT及二次回路總導(dǎo)納、二次負(fù)荷導(dǎo)納等分項(xiàng)導(dǎo)納值進(jìn)行分析，從而對(duì)各種異常情況做出較為準(zhǔn)確的定性判斷。

2 結(jié)束語

文中從電流互感器的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前電流互感器及二次回路檢測(cè)過程中存在的一些局限，在充分分析電流互感器及二次回路等效電路的基礎(chǔ)上，研究帶電測(cè)試技術(shù)以及評(píng)估電流互感器及二次回路工作狀況的有效辦法。通過理論分析研究，以上的技術(shù)手段是真實(shí)可取的，實(shí)際應(yīng)用中分析方法是有效的。帶電電流互感器二次負(fù)荷測(cè)試方法，接線簡(jiǎn)單，設(shè)備操作方便；但是，通過技術(shù)研究的深入，還有一些值得改進(jìn)的地方，比如：如何進(jìn)一步提高測(cè)試的精度，使測(cè)量數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確；如何使通過高頻導(dǎo)納法來評(píng)估電流互感器及二次回路更加的簡(jiǎn)便而不用進(jìn)行大量的比對(duì)分析。這些地方的改進(jìn)可能還需要長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)踐，不斷的積累評(píng)估判斷經(jīng)驗(yàn)，并且利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起一套完整的專家系統(tǒng)，來輔助決策。

[1] DL/T448-2000，電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程 [S].

[2] 廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司.505B中文操作手冊(cè)V1.1[Z].2011.

[3] GB 1208-2006，電流互感器 [S].

[4] 白洋.電能計(jì)量裝置遠(yuǎn)程效驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [J].電測(cè)與儀表，2005，(7)：30-32.

[5] 蘭世紅，等.導(dǎo)納法在二次回路故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析[J].電測(cè)與儀表，2007，(3)：25-29.

Research on Application of New Technology in Comprehensive Assessment of Current Transformer Secondary Loop

ZHU Dan
(Dehong Electric Power Supply Bureau，Dehong，Yunnan 678400)

This paper combined with the latest achievements of electric energy metering device test related technologies，the current transformer secondary loop new technology and realization of the comprehensive evaluation method，and analyzes the related methods and significance of the new technology application，and prospects the related new technology application in the direction of further development.

current transformer；charged test；high-frequency admittance method

TM93

B

1006-7345(2014)04-0020-05

2014-04-17

朱丹 (1981)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)德宏供電局，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化 (e-mail)zhudan_work＠163.com。

云南省2013年科技項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：電流互感器二次回路綜合評(píng)估新技術(shù)應(yīng)用研究，編號(hào)：K-YN2013-236