數(shù)字化變電站電流互感器二次回路的監(jiān)視

何小濤，謝海遠，鄧祥力

(1.國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川成都 610000;2.上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

電流互感器是聯(lián)系電力系統(tǒng)一二次設(shè)備的重要元件，其采集的電流量是繼電保護動作的判斷依據(jù).隨著數(shù)字化電網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)字化變電站成為電力系統(tǒng)的重要連接點，是未來的發(fā)展方向，但變電站二次回路電纜的故障問題一直沒有引起足夠的重視.

如果二次回路發(fā)生故障，互感器獲得的數(shù)值就不能正確地反應(yīng)一次電力設(shè)備的實際運行狀態(tài)，還有可能造成差動保護誤動或拒動，對電力系統(tǒng)造成嚴重的影響.［1-3］目前的微機保護裝置只能對二次回路的斷線故障進行判別，而對于二次電纜的磨損、CT的飽和、剩磁計算等可能引起差動保護誤動的問題研究較少，本文設(shè)計了一種變壓器電流互感器回路監(jiān)視裝置，從功能和應(yīng)用上分析了相關(guān)影響及解決策略，并對裝置的硬件設(shè)計和軟件功能做了介紹.

1 數(shù)字化變電站二次回路可能存在的問題及解決方法

1.1 CT 飽和問題

由于電流互感器的鐵芯是非線性元件，一旦鐵芯飽和，二次電流將嚴重失真.變壓器區(qū)外故障引起的CT飽和分為穩(wěn)態(tài)飽和和暫態(tài)飽和兩種.暫態(tài)飽和由區(qū)外故障時一次系統(tǒng)中的非周期分量引起，對變壓器差動保護的影響較大.［4］發(fā)生變壓器區(qū)外故障后，CT有一定的線性傳變時間(如5 ms)，在線性傳變時間內(nèi)，差動電流很小;超過線性傳變時間后，變壓器某側(cè)的單相CT開始飽和(本文只考慮單個CT飽和的情況)，電流波形出現(xiàn)畸變，差動電流開始增加.［5-6］CT一二次側(cè)傳變的電流仿真結(jié)果，以及計算得到的差動電流和制動電流如圖1所示.

圖1 CT飽和特性仿真結(jié)果

由圖1可以看出，當差動電流增加到一定程度時，比率差動保護進入動作區(qū)，差動保護誤動作.變壓器動作特性和制動特性如圖2所示.

發(fā)生變壓器區(qū)外故障時，CT飽和判別依據(jù)如下:

(1)啟動元件動作后，使用5 ms數(shù)據(jù)窗計算三相差流和制動電流的比值，其值均落在圖2中的附加制動區(qū)內(nèi)部;

(2)啟動元件動作30 ms后，變壓器比率差動保護裝置動作;

圖2 變壓器動作特性和制動特性示意

1.2 CT剩磁的計算

剩磁的產(chǎn)生是鐵磁材料固有的磁滯現(xiàn)象，當變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時，因鐵心飽和且存在剩磁會出現(xiàn)很大的勵磁電流，勵磁電流中產(chǎn)生大量諧波，不僅增加了變壓器的無功消耗，而且可能引起繼電保護器誤動作.引起誤動的原因在于恢復(fù)性涌流或是因涌流引起的電流互感器飽和，電流互感器在大剩磁的情況下會出現(xiàn)局部暫態(tài)飽和，形成較大差流，從而引起保護誤動.［7］因此，有必要對電流互感器的剩磁情況進行監(jiān)視.

CT剩磁計算模型如圖3所示.

圖3 CT剩磁計算模型

CT一次繞組等效為恒流源，CT工作在線性區(qū)，其勵磁電感為Lm，CT二次側(cè)負載電阻為RL.電力系統(tǒng)正常運行時，CT對系統(tǒng)中的一次電流進行正常傳變，對應(yīng)于圖3中開關(guān)K閉合;電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時，繼電保護跳開斷路器，斷路器在電流過零點附近切斷電流，對應(yīng)于開關(guān)K斷開.因此，可以建立各階段的微分方程.

當開關(guān)K閉合時CT處于穩(wěn)定傳變狀態(tài)，微分方程為:

式中:k——CT 變比;

N1，N2——CT 一次和二次繞組匝數(shù);

Lm——常數(shù).

當開關(guān)K打開后，表示斷路器已經(jīng)切除一次系統(tǒng)電流，CT二次回路的電流通過CT負載電阻衰減，當二次電流衰減為零時，鐵芯中的磁通即為剩磁.

式中:S——鐵芯面積;

B——鐵芯中磁通密度;

tgα——由局部磁滯回線決定的導(dǎo)磁率.

以式(1)的穩(wěn)態(tài)值作為式(2)的初始值，將磁滯回線作為已知參數(shù)，求解式(2).當CT回路二次電流衰減為零時，式(4)計算所得即為CT鐵芯剩磁.

1.3 CT二次電纜的磨損

現(xiàn)有的保護裝置和設(shè)備通常只能對CT斷線進行監(jiān)測，而對于二次電纜的磨損、介于斷線和正常運行之間的狀態(tài)不能得到有效反映.電力系統(tǒng)正常運行時，電流互感器可以正確傳變一次電流，但當二次電纜磨損后，故障相當于大電阻短路，使流入保護裝置內(nèi)的三相電流之間的幅值和相角發(fā)生變化，不能正確反映一次設(shè)備的運行狀態(tài)，從而導(dǎo)致保護誤動.

CT鐵芯工作在線性區(qū)，勵磁支路電流很小，可以忽略不計，而CT一次側(cè)系統(tǒng)可等效為恒流源.由于CT繞組是三相對稱的，二次電纜一般捆綁在一起進行鋪設(shè)，微機保護內(nèi)部的隔離互感器選用型號一致的器件，故可以認為三相CT二次繞組的電阻、二次回路電纜、負荷電阻均相等，分別為RTA，RW，RL.假設(shè)TA二次回路A相和B相電纜在p點和q點發(fā)生磨損，即通過大電阻短路，此時二次電纜電阻RW分為RW1和RW2兩部分，短路過度電阻為Rf.對CT二次電纜磨損的分析如圖4所示.

圖4 CT二次電纜磨損的分析示意

CT二次回路通過過渡電阻短路時，流入保護裝置內(nèi)部的三相電流之間的幅值和相角如圖5所示，其中沒有故障的那一相幅值和相角沒有改變.發(fā)生故障的兩相電流幅值相等，相角分別向順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)相同的角度θ1.

圖5 CT二次電纜磨損后流入保護裝置的三相電流

因此，電力系統(tǒng)在正常運行時，有一相電流最大，其余兩相電流較小且幅值相等，相角差小于120°，則電流較小的兩相二次電纜之間可能發(fā)生了磨損短路現(xiàn)象.

1.4 CT二次回路斷線

正常運行的CT的二次繞組接近于短路狀態(tài)，一次電流和二次電流產(chǎn)生的合成磁通僅為一次電流產(chǎn)生磁通的百分之幾.當二次側(cè)開路時，二次電流為零，一次電流全部用于勵磁，電壓幅值很高.CT電流回路某一相斷線后，將會形成不平衡電流和較大差流，嚴重時可能會使變壓器差動保護誤動.本文研發(fā)的裝置利用現(xiàn)有微機保護裝置中的CT斷線檢測功能，能夠?qū)T二次回路的斷線故障進行有效監(jiān)視.

2 TA二次回路監(jiān)視在數(shù)字化變電站的應(yīng)用

2.1 數(shù)字化變電站及監(jiān)視裝置的應(yīng)用

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息的共享和互操作的現(xiàn)代化變電站.［8-9］IEC 61850將數(shù)字化變電站分為過程層、間隔層、站控層3層，各層內(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，與常規(guī)變電站相比，主要對過程層和間隔層設(shè)備進行升級.

本文研發(fā)的裝置主要用于監(jiān)視傳統(tǒng)互感器到合并單元的電纜狀態(tài)，其在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用如圖6所示.

在數(shù)字化變電站中，站控層由計算機網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)主機、工作站等設(shè)備組成，實現(xiàn)全站監(jiān)控，形成管理中心;間隔層設(shè)備由按間隔對象配置的保護裝置(IED)、測控裝置、計量裝置等設(shè)備組成，實現(xiàn)開關(guān)控制、遙信采集等功能;過程層由互感器、開關(guān)量輸入輸出、電纜和通信等設(shè)備組成，主要完成開關(guān)量接收、發(fā)送和交流采樣等與一次設(shè)備相關(guān)的功能.圖6中，間隔1中的變壓器兩側(cè)CT經(jīng)過電纜將二次電流值送入合并單元，該電纜的狀態(tài)監(jiān)視可以由本裝置完成，其監(jiān)視范圍如圖6中虛線框所示.

圖6 數(shù)字化變電站中的CT二次回路監(jiān)視裝置

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了方便現(xiàn)場使用與監(jiān)視，不影響繼電保護運行的可靠性，可將合并單元處采集到的數(shù)據(jù)送進本裝置，以實現(xiàn)在線監(jiān)測二次回路運行狀態(tài)的功能，裝置安裝位置如圖6所示.對于其他間隔中二次回路電纜的狀態(tài)監(jiān)視，可以使用多臺本裝置，采用同樣的方法來實現(xiàn).然后將n臺監(jiān)視裝置獨立成網(wǎng)，將全站二次回路電纜信息匯總至監(jiān)視工作站，由監(jiān)視工作站完成信息的集中、處理、監(jiān)視及告警.

2.3 功能實現(xiàn)

本裝置的功能實現(xiàn)是由數(shù)據(jù)采集、計算、通信、報告、維護等幾個部分構(gòu)成，以二次電纜發(fā)生磨損為例，分析具體流程如下.

(1)數(shù)據(jù)采集 采集兩圈變壓器高低側(cè)的電流和電壓，分別為高、低壓側(cè)6個電流和6個電壓，形成環(huán)形緩沖區(qū)，每周波24點.

(2)計算 使用全周傅氏算法計算12個通道基波的幅值和相角.計算三相差動電流、三相制動電流，使用小矢量算法計算三相差流和三相制動電流的幅值，給出判別結(jié)果.

(3)通信 通過CAN總線和MODBUS規(guī)約接受DSP板傳過來的數(shù)據(jù)，包括錄波數(shù)據(jù)、告警報告、電氣量幅值相角、參數(shù)定值等.

(4)報告 根據(jù)判別結(jié)果，形成監(jiān)測報告.

(5)維護 可通過RS232串口把接收到的數(shù)據(jù)傳送給PC電腦，用于設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視和后期軟件的維護.

3 裝置介紹

3.1 硬件功能

(1)數(shù)據(jù)采集及計算 每周波24點，使用全周傅氏算法計算基波的幅值和相角.使用小矢量算法計算三相差流和三相制動電流幅值.

(2)通訊功能 接收錄波數(shù)據(jù)、告警報告、電氣量幅值相角、參數(shù)定值等數(shù)據(jù);發(fā)送參數(shù)定值.

(3)液晶顯示 顯示內(nèi)容包括:各電氣量的幅值和相角;通過轉(zhuǎn)角補償后的各側(cè)電流幅值和相角;報告;參數(shù)值.

3.2 軟件功能

軟件功能包括:變壓器各側(cè)CT斷線判別;變壓器各側(cè)PT斷線判別;變壓器區(qū)外故障時，CT飽和判別;變壓器各側(cè)CT極性是否接反判別，即計算參與差流計算的各側(cè)電流的相角和，若接近0°則表示極性接反，發(fā)出告警報告，并點亮告警燈.

4 結(jié)語

本文從數(shù)字化變電站二次回路出發(fā)，研究了數(shù)字化變電站的二次回路電纜監(jiān)視的幾個問題.分析了CT斷線、CT飽和、剩磁計算、電纜磨損等問題;提出了變壓器區(qū)外故障CT飽和判據(jù)，有效防止了差動保護誤動;建立了剩磁計算模型，并給出了相關(guān)的計算方法;提出采用相量法來判別電纜是否發(fā)生磨損.研發(fā)的一臺變壓器二次回路監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了以上功能，具有良好的應(yīng)用前景.

［1］ 畢大強，馮存亮，葛寶明.電流互感器局部暫態(tài)飽和識別的研究［J］.中國電機工程學報，2012，32(31):184-187.

［2］ 邢運民，羅建，周建平，等.變壓器鐵心剩磁估量［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(2):169-172.

［3］ 郭自剛，稅少洪，徐婷婷，等.電流互感器二次回路短路導(dǎo)致差動保護動作機理分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，35(2):130-133.

［4］ 李艷鵬，侯啟方，劉承志.非周期分量對電流互感器暫態(tài)飽和的影響［J］.電力自動化設(shè)備，2006，35(8):15-18.

［5］ 陳建玉，孟憲民，張振旗，等.電流互感器飽和對繼電保護影響的分析及對策［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24(6):54-56.

［6］ 舒光偉，臧雯，馮志彪.電流互感器的數(shù)字實時仿真［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2005，17(4):79-82.

［7］ 崔迎賓，譚震宇，李慶民，等.電流互感器剩磁影響因素和發(fā)生規(guī)律的仿真分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(23):87-91.

［8］ 何衛(wèi)，唐成虹，張祥文，等.基于IEC61850的IED數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(1):57-60.

［9］ 李先妹，黃家棟，唐寶鋒.數(shù)字化變電站繼電保護測試技術(shù)的分析研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(3):105-108.