基于環(huán)路阻抗角的高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線自動(dòng)檢測(cè)方法

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廈門 361021）

0 引言

接地線是高壓電器設(shè)備維修過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但不規(guī)范的管理和使用，往往會(huì)導(dǎo)致地線拆除，從而引發(fā)誤操作事故，給工作人員、電網(wǎng)和設(shè)備的安全帶來了極大危害。近幾年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)的加快，電網(wǎng)容量不斷增加，輸電功率不斷提高。各電網(wǎng)之間的聯(lián)系更加緊密，從而更有可能拉動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)來帶動(dòng)整個(gè)機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)。若斷開輸電線路，尤其是斷開主要設(shè)備或通道，將對(duì)電網(wǎng)造成不可估量的破壞[1]。

傳統(tǒng)地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法在輸電線路維護(hù)和刪除過程中對(duì)臨時(shí)地線進(jìn)行識(shí)別，并將信號(hào)發(fā)送回實(shí)時(shí)調(diào)度端，雖然使用該方法可以在一定程度上避免接地線合閘誤操作，但仍然涉及到工作人員的行為，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性較差。除此之外，還有研究人員提出通過調(diào)度反饋的形式將地線狀態(tài)編輯成短信發(fā)送到調(diào)度中心，調(diào)度中心工作人員將地線狀態(tài)反饋給現(xiàn)場操作人員的接線檢測(cè)方法，但是該方法運(yùn)算過程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差[2]。針對(duì)上述傳統(tǒng)方法存在的問題，提出了一種基于回路阻抗角的高壓電器誤接線自動(dòng)檢測(cè)方法。利用變頻接地電阻測(cè)試儀，將感應(yīng)電壓信號(hào)加入線頭端。同時(shí)，接地線的工作狀態(tài)根據(jù)其相角來確定，這樣工作人員就能在接地線信息被關(guān)閉前，通過檢測(cè)電流，計(jì)算出阻抗，防止接地線被錯(cuò)誤關(guān)閉。

1 高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線分析

高壓電器不僅可以接通和斷開正常負(fù)荷電流，還可以接通和承受一定時(shí)間內(nèi)的短路電流，并且在保護(hù)裝置的作用下，可以自動(dòng)斷開和排除故障[3]。根據(jù)滅弧介質(zhì)的不同，高壓電器設(shè)備可以分為斷油斷路器、氣體斷路器和真空斷路器[4]。高壓電器設(shè)備根據(jù)運(yùn)行機(jī)構(gòu)可分為彈簧運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電磁運(yùn)行機(jī)構(gòu)和永磁運(yùn)行機(jī)構(gòu)；在電磁作動(dòng)器中，直流工作部分所需的能量較多，而永磁作動(dòng)器的直流工作電源則較少[5]。220kV高壓電器設(shè)備主接線如圖1所示。

圖1 220kV高壓電器設(shè)備主接線

由圖1可知，在分析母線保護(hù)線路事故信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障運(yùn)行模式，可以對(duì)220kV側(cè)正母線短路故障進(jìn)行初步判斷。根據(jù)高壓電器設(shè)備主接線形式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線的自動(dòng)檢測(cè)，分析高壓熔斷器、高壓隔離開關(guān)、電流互感器和電壓互感器的工作原理與錯(cuò)誤接線方式。

1.1 高壓熔斷器

高壓熔斷器是最簡單的用來保護(hù)電器的保護(hù)裝置，它可以防止過載和短路電流破壞。高壓熔斷器是一個(gè)熱響應(yīng)裝置，保險(xiǎn)絲或其內(nèi)部保險(xiǎn)絲由高電阻的易熔合金或小截面的良導(dǎo)體制成。為保護(hù)線束等設(shè)備，將其設(shè)計(jì)和制造為電路最薄弱環(huán)節(jié)[6]。高壓熔斷器在正常工況下不會(huì)熔斷，在系統(tǒng)發(fā)生短路或嚴(yán)重超載時(shí)，熔斷器或熔斷器會(huì)立即熔斷，以保護(hù)電路和電器。在高壓保險(xiǎn)絲布線出現(xiàn)故障時(shí)，一旦發(fā)生短路或嚴(yán)重超載問題，電路及電器設(shè)備就不能得到保護(hù)[7]。

1.2 高壓隔離開關(guān)

高壓隔離開關(guān)應(yīng)與高電壓斷路器配合使用，用于室內(nèi)三相50Hz，額定電壓12kV的交流電設(shè)備。其適用于有電壓、有負(fù)荷時(shí)的高壓設(shè)備接線、切斷或換線。保證高壓電器設(shè)備在維修過程中的安全性，起到電壓隔離的作用[8]。固定觸點(diǎn)包括彎曲成直角的銅板，銅板帶孔的一端可以用螺釘連接到母線上；另一端在高壓隔離開關(guān)閉合時(shí)可以接觸到動(dòng)葉（動(dòng)觸頭）。在鍍鋅板接觸器板的兩端安裝，確保被相互吸引的磁場磁化后，當(dāng)流過短路故障電流時(shí)能夠鎖定接觸器，并增加接觸器的接觸壓力，以提高隔離開關(guān)動(dòng)、熱穩(wěn)定性[9]。

1.3 電流互感器

電流互感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，把初級(jí)側(cè)的大電流轉(zhuǎn)換成二級(jí)側(cè)小電流的儀器。該變流器由封閉鐵心和線圈組成，其初級(jí)線圈匝數(shù)很小，并與要求測(cè)量電流的電路相連。在電壓互感器中，線路的全部電流經(jīng)常流過，次級(jí)線圈的匝數(shù)比較大[10]。測(cè)量儀表與保護(hù)電路串聯(lián)使用，在使用中，電流互感器的二次側(cè)電路始終處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，測(cè)量儀器和保護(hù)電路之間的串聯(lián)線圈阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。該變流器將初級(jí)側(cè)的大電流轉(zhuǎn)換成二級(jí)側(cè)的小電流進(jìn)行測(cè)量，副翼無法打開，導(dǎo)致高壓電器設(shè)備無法使用。

1.4 電壓互感器

電壓互感器是把交流電壓（電流）值轉(zhuǎn)換為另一個(gè)或幾個(gè)相同頻率上不同電壓（電流）值的靜態(tài)電器，互感器應(yīng)可靠接地。作業(yè)零線和中性接地線應(yīng)分別鋪設(shè)，作業(yè)零線不得埋在地下，變壓器中心點(diǎn)的接地電路應(yīng)該是可拆卸的連接螺栓，靠近變壓器，接地電阻應(yīng)在4Ω以下。針對(duì)僅有部分次級(jí)線路燒毀的情況，應(yīng)對(duì)次級(jí)線路問題進(jìn)行初步分析，如果發(fā)現(xiàn)開三角C相繞組短路后，則高壓電器設(shè)備無法使用。

2 基于環(huán)路阻抗角錯(cuò)誤接線自動(dòng)檢測(cè)研究

在上述高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線分析結(jié)果支持下，可將檢修中的線路視為高壓電器設(shè)備接有電抗器L0的空載線路，如圖2所示。

圖2 高壓電器設(shè)備接有電抗器的空載線路

由圖2可知，根據(jù)空載線路無損傳輸分布形式，計(jì)算入口阻抗方程，如下所示：

當(dāng)空載線路中無漏拆接地線時(shí)，線路末端是處于開路狀態(tài)的，此時(shí)電抗器L0無窮大，該情況下的入口阻抗方程為：

當(dāng)空載線路中有漏拆接地線時(shí)，線路末端是處于開短路狀態(tài)的，此時(shí)電抗器L0數(shù)值為0，該情況下的入口阻抗方程為：

式(1)、式(2)中，R表示電抗器阻抗；α表示線路發(fā)出的電信號(hào)參數(shù)，其計(jì)算公式為：

式(3)中，l表示空載線路長度；β表示發(fā)出電信號(hào)角頻率；f表示空載線路額定頻率；v表示電信號(hào)傳遞速度，其計(jì)算公式如下所示：

式(4)中，H表示空載線路總電感；C表示空載線路總電容。

在空載線路中無漏拆接地線和有漏拆接地線兩種情況時(shí)，入口阻抗隨空載線路總電感和空載線路總電容變化而發(fā)生改變，在空載線路額定頻率閾值內(nèi)，入口阻抗大小與空載線路長度之間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 入口阻抗隨長度變化關(guān)系

由圖3可以看出：當(dāng)線路長度大于0小于v/8f時(shí)，容性入口阻抗絕對(duì)值大于感性入口阻抗絕對(duì)值；當(dāng)線路長度大于v/8f小于v/4f時(shí)，容性入口阻抗絕對(duì)值小于感性入口阻抗絕對(duì)值；當(dāng)線路長度大于v/4f時(shí)，在空載線路中無漏拆接地線和有漏拆接地線的兩種情況下，角發(fā)生改變，容性入口阻抗變?yōu)楦行匀肟谧杩梗行匀肟谧杩棺優(yōu)槿菪匀肟谧杩埂?/p>

通過上述分析可知，當(dāng)線路長度大于v/4f時(shí)，環(huán)路阻抗角（即激勵(lì)電壓相角與環(huán)路電流相角差值）可作為高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線判斷基準(zhǔn)：當(dāng)環(huán)路阻抗角小于0時(shí)，環(huán)路阻抗為容性阻抗，此時(shí)高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線全部被清除；當(dāng)環(huán)路阻抗角大于0時(shí)，環(huán)路阻抗為感性阻抗，此時(shí)高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線未完全消除。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于環(huán)路阻抗角的高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線自動(dòng)檢測(cè)方法的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以某實(shí)業(yè)發(fā)展公司的高壓電器設(shè)備生產(chǎn)情況為例，分析“高壓電器實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目”，該項(xiàng)目符合某高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)應(yīng)用規(guī)劃，年用電量為817725.35KW，能源利用效率良好。以GW4-40.5kV型戶外高壓隔離開關(guān)為例，GW4-40.5kV型戶外高壓隔離開關(guān)采用雙柱中開結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)清潔能力，能夠提高隔離開關(guān)的可靠性。依靠自身彈力夾緊觸頭，避免因彈簧銹蝕而引起的夾緊力降低問題。

該開關(guān)錯(cuò)誤接線時(shí)，出現(xiàn)的現(xiàn)象如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、基于調(diào)度反饋的地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法和基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法研究開關(guān)錯(cuò)誤接線檢測(cè)情況，對(duì)比內(nèi)容如下所示。

表1 高壓隔離開關(guān)錯(cuò)誤接線現(xiàn)象

1）種類1

在種類1下，三種方法的電壓變化情況如圖4所示。

圖4 種類1下三種方法電壓變化對(duì)比分析

由圖4可知，在有擊穿、無閃絡(luò)錯(cuò)誤接線的情況下，使用地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、基于調(diào)度反饋的地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法與實(shí)際電壓值相差較大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為5次時(shí)，兩種方法的電壓值與實(shí)際電壓分別相差72V、62V。而使用基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法與實(shí)際電壓值相差較小，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為4次時(shí)，與實(shí)際電壓相差最大，僅為6V。

2）種類2

在種類2下，三種方法的電壓變化情況如圖5所示。

圖5 種類2下三種方法電壓變化對(duì)比分析

由圖5可知，在有閃絡(luò)、無擊穿錯(cuò)誤接線的情況下，使用地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、基于調(diào)度反饋的地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法與實(shí)際電壓值相差仍然較大，而使用基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法與實(shí)際電壓值基本一致。

3）種類3

在種類3下，三種方法的電壓變化情況如圖6所示。

圖6 種類3下三種方法電壓變化對(duì)比分析

由圖6可知，在有擊穿、出現(xiàn)一次閃絡(luò)錯(cuò)誤接線的情況下，使用地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、基于調(diào)度反饋的地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法與實(shí)際電壓值相差較大，并且差距逐漸加大，總體呈上升趨勢(shì)，說明傳統(tǒng)方法受錯(cuò)誤接線影響較大，而使用基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法與實(shí)際電壓值基本一致。

4）種類4

在種類4下，三種方法的電壓變化情況如圖7所示。

圖7 種類4下三種方法電壓變化對(duì)比分析

由圖7可知，在有閃絡(luò)、出現(xiàn)一次擊穿錯(cuò)誤接線的情況下，使用地線狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、基于調(diào)度反饋的地線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法與第2種和第3種錯(cuò)誤接線類型相比，電壓值有所降低，但與實(shí)際值依然存在較大偏差，而使用基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法與實(shí)際電壓值相差較小，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為2次時(shí)，與實(shí)際電壓相差最大，僅為3V。

5）種類5

在種類5下，三種方法的電壓變化情況如圖8所示。

圖8 種類5下三種方法電壓變化對(duì)比分析

由圖8可知，在無擊穿、無閃絡(luò)接線的情況下，使用傳統(tǒng)兩種方法均與實(shí)際電壓相差較小，使用基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法與實(shí)際電壓值一致。

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在不同高壓隔離開關(guān)錯(cuò)誤接線類型，所提基于環(huán)路阻抗角檢測(cè)方法檢測(cè)得到的電壓值與實(shí)際電壓值之間的差距較小，說明該方法的檢測(cè)結(jié)果可靠，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤接線的自動(dòng)檢測(cè)。

4 結(jié)語

高壓電器設(shè)備中，線路錯(cuò)誤接線在所難免。利用回路阻抗角實(shí)現(xiàn)了高壓電器設(shè)備錯(cuò)誤接線的自動(dòng)檢測(cè)，即可以利用回路阻抗角在不平衡接線故障跳閘時(shí)自動(dòng)檢測(cè)錯(cuò)誤接線。雖然運(yùn)用所提方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線短路故障保護(hù)裝置電壓變化的自動(dòng)檢測(cè)與分析，但是沒有對(duì)臨界保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行計(jì)算，因此，在接下來的研究中將通過短路計(jì)算，定量分析保護(hù)電壓的變化情況，以確定保護(hù)動(dòng)作的精確值。