電流類在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性分析

鄒成伍，吳劍芳

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

電流類在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性分析

鄒成伍，吳劍芳

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

電流類在線監(jiān)測(cè)裝置包括變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置、電纜護(hù)層環(huán)流在線監(jiān)測(cè)裝置、變壓器中性點(diǎn)直流偏磁在線監(jiān)測(cè)裝置等，針對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置在入網(wǎng)檢測(cè)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)原理、測(cè)量方法等方面進(jìn)行了分析，旨在提高在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性。

在線監(jiān)測(cè)；鐵芯接地電流；中性點(diǎn)；直流偏磁；護(hù)層環(huán)流

0 引言

目前各類電流在線監(jiān)測(cè)裝置在電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，如變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置是判斷變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障的主要手段之一，電纜護(hù)層環(huán)流在線監(jiān)測(cè)裝置是實(shí)現(xiàn)金屬護(hù)層電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、確保電力電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要依托，變壓器中性點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)裝置在監(jiān)測(cè)和分析直流偏磁方面發(fā)揮著重要的作用。然而，在線監(jiān)測(cè)裝置在應(yīng)用中也存在不少問(wèn)題，特別是測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性方面不夠理想，部分裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信度較差[1]。因此，亟需探索提高在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性的方法。

1 電流類在線監(jiān)測(cè)裝置概況

電流類在線監(jiān)測(cè)裝置主要由電流采樣裝置和IED（智能電子設(shè)備）構(gòu)成，影響在線監(jiān)測(cè)裝置整體準(zhǔn)確度和可靠性的原因主要在于電流采樣環(huán)節(jié)的精度，以及主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，如測(cè)量范圍裕量、預(yù)警閾值等。以下根據(jù)批量電流類在線監(jiān)測(cè)裝置入網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)理論方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)影響在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性的因素進(jìn)行了較全面的總結(jié)和分析，并提出改進(jìn)、優(yōu)化的方法和建議。

2 電流采樣環(huán)節(jié)優(yōu)化

電流采樣環(huán)節(jié)是在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)的源頭，其準(zhǔn)確度和可靠性在很大程度上決定了在線監(jiān)測(cè)裝置整體的準(zhǔn)確度和可靠性。

大部分裝置采用單匝互感器作為電流傳感器，其外殼可以采用不銹鋼材料全密封設(shè)計(jì)，具有防水防銹功能。傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊之間采用硬件隔離，以確保裝置具有較高的抗干擾能力和可靠性。傳感器的形式、形狀各異，有開(kāi)合型、有密閉型，也有圓形、方型，無(wú)論何種形式的傳感器安裝后都不能影響變壓器的運(yùn)行和維護(hù)。

單匝互感器類似于鉗形電流表，雖然使用方便，成本較低，但是由于其結(jié)構(gòu)和原理的原因，測(cè)量精度較低，且隨機(jī)性較大。另外，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往存在很強(qiáng)的電磁干擾，會(huì)極大地干擾電流傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，因此需要尋求更加可靠的采樣方式。

2.1采用分組傳感器

采樣環(huán)節(jié)采用分組傳感器即是一種改善效果較為明顯的方法。每臺(tái)裝置配置2個(gè)傳感器，通常小量程的傳感器用于采集1 A以下的小電流，大量程的傳感器用于采集較大電流，常用的接線方式如圖1所示。

圖1 采用分組傳感器的接線原理

這種方式下，只要解決好量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、避免采集沖突等問(wèn)題，電流測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性即可得到明顯的改善。表1為分別采用傳統(tǒng)電流互感器和分組電流互感器的2批變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)結(jié)果。

表1 分組傳感器的改善效果

2.2 直接對(duì)測(cè)量回路進(jìn)行標(biāo)定

串入采樣電阻的方法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，因而提出一種改進(jìn)形式，直接對(duì)回路進(jìn)行標(biāo)定，接線如圖2所示。在待測(cè)量的接地線或者中性線上選取一段,夾上電壓電流線，首先通過(guò)在線監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)源，標(biāo)定出其電阻值；再通過(guò)測(cè)量夾子之間的電壓值，進(jìn)而得到要測(cè)量的電流值。通過(guò)屏蔽電纜傳輸采集到的電流量，采用相應(yīng)的算法，根據(jù)變換后離散的采樣值計(jì)算出電流基波幅值，從而提高采集和運(yùn)算精度。

這種方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用效果理想。武漢某廠家基于類似原理生產(chǎn)的變壓器中性點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)裝置，用于監(jiān)測(cè)直流偏磁，其在試驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 直接對(duì)測(cè)量回路進(jìn)行電阻值標(biāo)定的接線方式

表2 變壓器中性點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置入網(wǎng)檢測(cè)結(jié)果

該產(chǎn)品的入網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)電流傳感器的寧波某廠家產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 采用電阻標(biāo)定方法的改善效果

由表2和表3可知：采用電阻標(biāo)定法的監(jiān)測(cè)裝置，具有較高的合格率；標(biāo)準(zhǔn)偏差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；誤差較小，準(zhǔn)確度高。

2.3 串入采樣電阻

由于安裝現(xiàn)場(chǎng)往往存在強(qiáng)電磁干擾，對(duì)電流傳感器的影響非常明顯。因此，可以考慮串入采樣電阻，即在測(cè)量回路中串入一個(gè)穩(wěn)定、精密的純電阻，通過(guò)測(cè)量采樣電阻兩端的電壓來(lái)間接得到電流值，原理如圖3所示。

當(dāng)220 kV變壓器鐵芯串接電阻小于500 Ω，110 kV變壓器鐵芯串接電阻小于1 kΩ時(shí)，不會(huì)影響變壓器的運(yùn)行[7]。為保證所測(cè)得的電流信號(hào)真實(shí)可靠，使新加的提取信號(hào)設(shè)備對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響盡可能小，綜合考慮可選用2 Ω的純電阻。

圖3 在測(cè)量回路中串入采樣電阻

2.4 加裝補(bǔ)償線圈

電磁干擾的主要原因是：變壓器內(nèi)部存在通過(guò)空氣或絕緣油閉合的漏磁通，它的大小取決于負(fù)載電流的大小。由于漏磁通難以做到完全屏蔽，它會(huì)通過(guò)箱體法蘭等氣隙處發(fā)散到箱體外部，而氣隙處的磁阻很大，導(dǎo)致發(fā)散至變壓器箱體的磁場(chǎng)數(shù)值仍然較為可觀，會(huì)對(duì)鐵芯引下線處的磁場(chǎng)帶來(lái)較大畸變，造成鐵芯接地電流測(cè)量不準(zhǔn)確。因此，在同一鐵芯接地線路上，不同位置測(cè)出來(lái)的接地電流值可能差異很大。

在測(cè)量變壓器鐵芯接地電流時(shí)，針對(duì)上述空間電磁干擾的影響，可采用加裝補(bǔ)償線圈的方式解決：在相同測(cè)量位置處加裝一個(gè)補(bǔ)償線圈，其產(chǎn)生的電流方向和采樣線圈的電流方向相反，以抵消空間磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾電流，從而得到鐵芯接地電流的真實(shí)值，實(shí)現(xiàn)裝置的抗干擾功能。這種方式能夠大大抵消空間電磁場(chǎng)帶來(lái)的干擾，得到鐵芯接地電流的真實(shí)值。

3 裕量和閾值

3.1 設(shè)定合理的裕量

根據(jù)國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范[6]，變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量范圍為1 mA～10 A，浙江省電網(wǎng)對(duì)測(cè)量精度要求的范圍為50 mA～1 A[7]。因此，測(cè)量范圍的上下限分別為1 mA和10 A，測(cè)量精度要求可以適當(dāng)放寬，但不允許出現(xiàn)偏差極大的值或者完全錯(cuò)亂的異常值，以免造成裝置的誤告警和運(yùn)維人員的誤判。

上海某廠家生產(chǎn)的變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置，總計(jì)165臺(tái)，首檢時(shí)10 A測(cè)試點(diǎn)誤差較大的有58臺(tái)，異常值有5臺(tái)。

北京某廠家生產(chǎn)的變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置，總共76臺(tái)，首檢時(shí)1 mA測(cè)試點(diǎn)誤差較大的有19臺(tái)。

因此，在線監(jiān)測(cè)裝置在電流采樣設(shè)備選用、IED的設(shè)計(jì)和軟件編寫時(shí)，要考慮留有測(cè)量范圍的裕量，在測(cè)量范圍上下限時(shí)，測(cè)量精度要求可以適當(dāng)放寬，但不能出現(xiàn)偏差極大的值或者錯(cuò)亂的異常值，以免造成裝置的誤報(bào)警和運(yùn)維人員的誤判。

3.2 設(shè)定合理的預(yù)警閾值

在線監(jiān)測(cè)裝置需要能設(shè)置預(yù)警閾值，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置能發(fā)出預(yù)警信號(hào)并采取相應(yīng)措施。由于現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累還不夠充分，未達(dá)到制定分析判斷標(biāo)準(zhǔn)的要求，預(yù)警閥值的設(shè)置還缺乏充分的依據(jù)[4]。大部分監(jiān)測(cè)裝置都利用由計(jì)算公式和數(shù)學(xué)模型得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警預(yù)測(cè)，與實(shí)際運(yùn)行存在一定的差異。

以變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置為例，根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)》規(guī)程[5]，運(yùn)行中鐵芯接地電流一般不大于100 mA。因此，變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置默認(rèn)的預(yù)警閾值一般預(yù)設(shè)為100 mA。隨著直流特高壓工程的投運(yùn)，直流偏磁現(xiàn)象對(duì)部份變電站的影響較為明顯。在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量值一旦超過(guò)設(shè)定的預(yù)警值，勢(shì)必會(huì)引起運(yùn)維人員的高度重視，甚至進(jìn)行非計(jì)劃的停電檢修，但是往往停電后進(jìn)行試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)鐵芯絕緣良好，沒(méi)有發(fā)生多點(diǎn)接地等故障，造成了不必要的停電，造成的直接損失和間接損失很大。

因此，這也對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的預(yù)警閾值設(shè)定和歷史數(shù)據(jù)分析功能提出了更高的要求。目前需要不斷積累監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量，進(jìn)一步完善在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，使其能夠更準(zhǔn)確地處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到貼近運(yùn)行實(shí)際的預(yù)警閾值，提高狀態(tài)分析的準(zhǔn)確性和智能化水平。

4 相關(guān)的輔助措施

4.1 設(shè)置限流單元

由于國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范對(duì)限流單元不是強(qiáng)制性要求[6]，在入網(wǎng)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，部分在線監(jiān)測(cè)裝置未配置限流單元，或者配置的限流單元不能完全滿足規(guī)范的建議要求。規(guī)范中建議，一般限流電阻投入的電流值設(shè)定為100 mA。未設(shè)置規(guī)范的限流單元的監(jiān)測(cè)裝置，經(jīng)常不能正確實(shí)現(xiàn)電阻投切和相關(guān)的預(yù)警、保護(hù)動(dòng)作；另外，這類裝置在電阻投切的臨界值附近，極易發(fā)生測(cè)量不準(zhǔn)確或者出現(xiàn)異常值的情況。如上海某廠家生產(chǎn)的未配置規(guī)范限流單元的變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置首檢結(jié)果如表4所示。

表4 未配置規(guī)范限流單元的監(jiān)測(cè)裝置首檢情況

杭州某廠家生產(chǎn)的電纜護(hù)層環(huán)流監(jiān)測(cè)裝置，采用8個(gè)有線10K線尾電阻防區(qū)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求，首檢情況如表5所示。

表5 配置規(guī)范限流單元的監(jiān)測(cè)裝置首檢情況

對(duì)比表4、表5可以看出，配置符合規(guī)范的限流單元的在線監(jiān)測(cè)裝置擁有更好的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。因此建議，電流類在線監(jiān)測(cè)裝置都應(yīng)配置符合規(guī)范的限流單元。

限流單元主要由限流電阻、繼電器、電壓保護(hù)單元等組成，串接在回路中，一種典型的限流單元如圖4所示?？刂仆?、切限流電阻的電流值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況分別設(shè)定；投、切限流電阻，不應(yīng)導(dǎo)致死循環(huán)；限流單元應(yīng)具有過(guò)壓保護(hù)功能，當(dāng)電壓大于設(shè)定值時(shí)，保護(hù)單元應(yīng)可靠動(dòng)作。所選的電阻功率要適當(dāng)大，防止發(fā)熱燒壞。同時(shí)，這種串接電阻的方法，能防止接地故障消失后造成鐵芯出現(xiàn)高的懸浮電位。

圖4 限流單元電路

4.2 抗干擾技術(shù)

為了抑制變化電磁場(chǎng)的干擾，IED可采用金屬外殼，并將外殼良好接地；同時(shí)將系統(tǒng)地浮空，這樣可提高抗共模干擾的能力。信號(hào)通過(guò)屏蔽線連接到IED上，信號(hào)電纜可采用鍍鋅管等加以保護(hù)。

電路保護(hù)措施方面，可在運(yùn)算放大器輸入電路前加TVS管（瞬變電壓抑制二極管），前置放大部分采用低溫漂、高精度型放大器及高精密電阻，保證模擬放大通道的穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的干擾形式分別采取不同的措施，以消除能量反射、駐波等問(wèn)題；輸出端口設(shè)置共、差模濾波器，以保證通信良好。主機(jī)軟件檢波采用脈沖分時(shí)復(fù)用技術(shù)和脈寬檢波算法等，有效濾除裝置運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)在線監(jiān)測(cè)裝置將朝著具備自檢測(cè)、自診斷功能和智能化的方向發(fā)展。通過(guò)從電流采樣環(huán)節(jié)、閾值和裕量設(shè)置、主機(jī)和軟件設(shè)計(jì)及抗干擾等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，可提高電流類在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性，使在線監(jiān)測(cè)裝置能夠發(fā)揮更加切實(shí)、高效的作用。

[1]岳靈平，張志亮，俞強(qiáng)，等.輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性分析[J].浙江電力，2014，33（6）∶67-71.

[2]鄔小波，彭珣，郭紹偉，等.變壓器鐵芯接地電流檢測(cè)裝置應(yīng)用研究[J].華北電力技術(shù)，2013（8）∶38-42.

[3]皮志勇，熊飛輪，皮志軍，等.變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)[J].湖北電力，2006，30（4）∶26-28.

[4]韋舒天，汪里，章旭泳.特高壓直流輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].浙江電力，2012，31（4）∶57-59.

[5]DL/T 596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

[6]Q/GDW 1894-2013變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[7]曾國(guó).變壓器鐵心經(jīng)小電阻接地對(duì)介損試驗(yàn)的影響[J].變壓器，1999，36（6）∶38.

[8]王海歐，林凌.變電站接地線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].浙江電力，2015，34（6）∶25-26.

[9]王凱奇，張華，沈立群，等.復(fù)雜環(huán)境下超高壓輸電線路的工頻磁場(chǎng)特性[J].浙江電力，2016，35（12）∶53-55.

[10]夏強(qiáng)峰，袁均祥，屠曄煒，等.輸電線路交流感應(yīng)電壓消除裝置的研制[J].浙江電力，2015，34（7）∶66-68.

（本文編輯：方明霞）

Accuracy and Reliability Analysis of On-line Current Monitors

ZOU Chengwu，WU Jianfang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

On-line current monitors consist of on-line monitoring device of transformer core earthing current, on-line monitoring device of cable sheath circulation，online monitoring device of DC bias of transformer neutral point，etc.For problems of online monitoring devices in grid access testing and investigation in the production field，the paper analyzes the structures and measuring methods to improve the accuracy and reliability of on-line current monitoring device.

on-line monitoring；core earthing current；neutral point；DC bias；sheath circulation

TM732

B

1007-1881（2017）01-0023-04

2016-06-22

鄒成伍（1990），男，助理工程師，從事電氣測(cè)量的檢定檢測(cè)及研究工作。