智能變電站中電子式互感器運行可靠性分析及故障預(yù)防

歐朝龍，徐先勇，萬全，解玉滿

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

變電站中的裝置隨著光電、微電子、計算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，具備了智能化、數(shù)字化和低功耗等特點，在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支撐下，變電站自動化技術(shù)已逐步實現(xiàn)了從集中控制模式向分布控制模式的發(fā)展〔1-3〕。近年來，變電站光電式互感器、智能化開關(guān)、一次運行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)中的應(yīng)用、變電站運行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)的日趨成熟，為變電站的計量、保護(hù)、測量、信息采集、傳輸?shù)葘崿F(xiàn)數(shù)字化處理提供了技術(shù)基礎(chǔ)〔4-7〕。計算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，使非常規(guī)互感器(電子式互感器、光電式互感器)進(jìn)入了實際應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)體系IEC61850使得變電站自動化技術(shù)實現(xiàn)了新的進(jìn)步。

電力設(shè)備的安全可靠運行是電力系統(tǒng)的基本要求之一，采用新技術(shù)的電子式電壓、電流互感器的可靠性還有待進(jìn)一步分析研究。而目前國內(nèi)外對在運行的電子式互感器的可靠性分析研究工作還很少。文中介紹了應(yīng)用于長沙110 kV曾家沖智能變電站中電子式電壓、電流互感器的基本原理結(jié)構(gòu)，并闡述了電子式互感器與傳統(tǒng)互感器的區(qū)別。同時還建立了全光纖電子式電流互感器的可靠性模型，分析了電容分壓電子式電壓互感器可靠性運行的條件及提出了保障其可靠性運行的措施。

1 概況

曾家沖110 kV智能變電站110 kV側(cè)的母線、主變、線路部分都采用了電子式互感器。電子式電流互感器配置在110 kV的Ⅰ線、Ⅱ線以及Ⅰ母、Ⅱ母之間母聯(lián)，Ⅱ母、Ⅲ母之間母聯(lián)處，主變10 kV進(jìn)線處也采用電子式電流互感器，為某公司生產(chǎn)的全光纖型電流互感器;電子式電流互感器采用冗余配置，每個測量點均安裝2組相同的全光纖電流互感器，每組電流互感器含1個獨立的電流傳感/采集光路，準(zhǔn)確度為0.2 s(5TPE)級，保護(hù)、測量、計量合用。電壓互感器配置:110 kV電壓互感器均采用西安華偉的電容分壓型電子式電壓互感器，分別分布在110 kVⅠ線、Ⅱ線 (單相均為A相)，110 kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅲ母 (為三相)處。110 kV三相電子式電壓互感器，準(zhǔn)確度為0.2(3P)級，保護(hù)、測量、計量合用。2條110 kV線路A相的電子式電壓互感器含1路獨立輸出回路，準(zhǔn)確度為0.2級。

2 電子式互感器原理及與傳統(tǒng)互感器的區(qū)別

2.1 全光纖電子式電流互感器基本原理

電子式電流互感器 (electronic current transformer，ECT)按照基本原理可分為:基于法拉第磁光效應(yīng)的磁光玻璃電子式電流互感器和全光纖電子式電流互感器，基于法拉第電磁感應(yīng)的空心線圈電子式電流互感器和低功率線圈電子式電流互感器。

從上述分類可知ECT按照法拉第磁光效應(yīng)與法拉第電磁感應(yīng)原理分為2類，依據(jù)法拉第磁光效應(yīng)工作的ECT又稱為無源式光CT，曾家沖智能變電站使用的全光纖電子式ECT即屬于此類。這種全光纖電子式ECT主要由光纖傳感頭、光路部分、檢測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)等組成，如圖1。三相ECT的敏感環(huán)均鑲嵌于GIS內(nèi) (如圖2)，光源發(fā)出圓偏振光經(jīng)起偏器過濾成45°線偏振光。線偏振光通過繞制在敏感環(huán)內(nèi)的光纖時受一次電流磁場影響，偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為φ。經(jīng)鏡面發(fā)射后，偏振光通過1/4波片發(fā)生光干涉，檢偏器測量偏振光干涉程度來確認(rèn)φ大小，按φ值與通過電流值的比例關(guān)系來測量一次電流。

圖1 全光纖式ECT結(jié)構(gòu)圖

圖2 GIS內(nèi)鑲嵌全光纖ECT敏感環(huán)示意圖

2.2 電容分壓電子式電壓互感器基本原理

電子式電壓互感器 (electronic voltage transformer，EVT)按照基本原理可分為:逆壓電效應(yīng)電子式電壓互感器、泡克爾斯效應(yīng)電子式電壓互感器、電容分壓電子式電壓互感器和阻容分壓電子式電壓互感器。

EVT按技術(shù)原理可分為有源分壓式和全光無源式，曾家沖智能變電站使用的EVT采用電容分壓原理，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3。這種EVT由電容分壓器、A/D轉(zhuǎn)換單元、電源、光纖組成。EVT工作時，分壓電容上的小電壓通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)光纖傳輸給合并單元。曾家沖變所用EVT主電容C1為母線與分壓器內(nèi)殼壁間SF6，分壓電容C2為分壓器內(nèi)精密固體電容。電容式EVT通常都是在C2兩端并聯(lián)1個精密取樣電阻R，分壓電容的輸出U2與一次側(cè)被測電壓U1的成正比關(guān)系，利用電子電路測量U2，即可得到被檢測電壓信號。

圖3 電容分壓式EVT結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 電子式互感器與傳統(tǒng)互感器區(qū)別

在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)互感器指電磁式電流、電壓互感器及電容式電壓互感器。電子式互感器與傳統(tǒng)互感器相比較，除具有傳統(tǒng)互感器的全部功能外，還具有以下幾個特點:

1)絕緣性能好、高低壓隔離，安全性高。電子式互感器的信號傳輸是通過光纜，從而電子式互感器實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在傳統(tǒng)互感器因電纜傳輸存在的二次回路短路或二次開路等問題，大大提高電磁兼容性能和安全性能。

2)電子式互感器一般不用鐵芯做磁耦合，因此磁飽和及鐵磁諧振消除了，有很寬的動態(tài)范圍，暫態(tài)響應(yīng)好，提高了穩(wěn)定性。

3)電子式互感器輸出數(shù)字信號，不存在磁飽和的問題，在1臺電子式互感器可同時滿足計量、保護(hù)、測量等多方面要求，而傳統(tǒng)互感器需計量、保護(hù)、測量等多個繞組。

4)電子式互感器的頻率響應(yīng)范圍寬。可以對高頻大電流或直流、電網(wǎng)電流、暫態(tài)高壓電力線上的諧波等進(jìn)行測量。

5)電子式互感器無鐵芯，體積小、重量輕，且可將電壓互感器和電流互感器組合在一起。此外，絕緣結(jié)構(gòu)也簡單，不會存在傳統(tǒng)互感器因充油而存在的易燃易爆等危險。

3 電子式互感器的運行可靠性分析

電子式互感器由一次電流電壓傳感器、一次轉(zhuǎn)換器、傳輸系統(tǒng)、二次模擬量轉(zhuǎn)換器及合并單元組成。電子式互感器的一次電壓傳感器一般采用電阻、電容分壓器，一次電流傳感器一般采用羅果夫斯基線圈、低功率互感器或全光纖傳感器，電流電壓傳感器的可靠性不比傳統(tǒng)互感器差，而且在工況改善的基礎(chǔ)上，電子互感器的電流電壓傳感器的可靠性比傳統(tǒng)互感器還要高。電子式互感器一般通過光纖傳輸信息，因此不會影響到電子式互感器的失效率。

由上可知，電子式互感器的一次電流電壓傳感器、一次轉(zhuǎn)換器、傳輸系統(tǒng)對其失效率沒有影響，因此電子互感器的運行可靠性分析集中在其二次部分，文中以全光纖電子式電流互感器 (ECT)為例分析二次部分的可靠性。

全光纖ECT主要由光學(xué)電流傳感部分、傳輸信號用光纖、光電信號處理部分、處理軟件、供電電源等部分組成。全光纖ECT為串聯(lián)系統(tǒng)，任一部分出現(xiàn)問題，都將導(dǎo)致ECT失效，只有每一組成單元都不失效，全光纖ECT才能不失效。電子式電流互感器光纖過長，在運輸及現(xiàn)場安裝過程中很容易斷裂。按照串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型分析可建立其可靠性模型如圖4，得出的數(shù)學(xué)可靠性模型如式(1)。

圖4 全光纖的可靠性結(jié)構(gòu)模型

式中 λi為全光纖ECT各個單元的失效率;λECT為全光纖ECT系統(tǒng)的總體失效率;MTBFECT為其使用壽命。

實際現(xiàn)場測試和運行工作中，全光纖ECT系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的故障情況有:光纖發(fā)生斷裂，影響到ECT不能測量;EVT在隔離刀閘帶電動作時，拉合閘操作瞬態(tài)過電壓感應(yīng)到二次電路板，使敏感器件(運算放大器電路、A/D)和集成電路芯片因過壓損壞，導(dǎo)致信號無輸出;功率器件 (電源模塊)電子元器件因發(fā)熱造成工作壽命降低;環(huán)境條件(溫、濕度)改變使傳感器件發(fā)生變化，造成測量準(zhǔn)確度降低;電子互感器大量數(shù)據(jù)傳輸和運算過程中因CPU或程序錯誤等造成數(shù)據(jù)丟包或亂碼。

4 電子式互感器應(yīng)用的故障預(yù)防措施

1)對易損壞的器件進(jìn)行冗余設(shè)計。按照可靠性理論，如單臺保護(hù)裝置的年事故率為0.5%，采用冗余1臺的設(shè)計，在理論上年事故率可以降低到0.002 5%。

2)加強(qiáng)二次電路的屏蔽、隔離、接地等措施。如增加EMI濾波器、改進(jìn)電路板的配線與布局、增強(qiáng)屏蔽和接地措施等。

3)對二次電路電子元器件的質(zhì)量加強(qiáng)控制?？赏ㄟ^電子元器件抽檢、工廠監(jiān)造、生產(chǎn)流程控制等加強(qiáng)源頭的質(zhì)量管理。重要電子元器件采用較高可靠性等級的，見表1。

表1 元器件失效率等級劃分

4)二次電路采用低功耗設(shè)計，提高工作壽命。

5)加強(qiáng)軟件抗干擾設(shè)計。采用插值算法、故障自診斷、數(shù)字濾波、指令冗余等軟件技術(shù)。

6)采用在線分析工具進(jìn)行實時監(jiān)測和故障預(yù)警。

7)適當(dāng)縮小現(xiàn)場檢修試驗的周期。增加預(yù)防性試驗的次數(shù)和種類，及時了解電子式互感器的性能變化趨勢以更換不合格的部件。

5 結(jié)論

電子式互感器是智能電網(wǎng)的重要設(shè)備，為了滿足電網(wǎng)的供電可靠性，電子式互感器正常運行時的年失效率必須控制在0.2%以下。電力互感器的年失效率一般只有0.01%，二次繼電保護(hù)裝置可以通過冗余設(shè)計把綜合可靠性提高到99.8%以上。電子式互感器由于二次電路的限制，其可靠性難以達(dá)到99.8%水平，所以有必要繼續(xù)加強(qiáng)其運行可靠性的分析和研究工作。

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