零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 袁拓來 邱天怡 李新海 范德和 舒 昶 曾令誠 劉國徽

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)多元化發(fā)展，大量的變電站10kV系統(tǒng)中性點(diǎn)接地形式由傳統(tǒng)的不接地或經(jīng)消弧線圈接地的接地方式，改造成經(jīng)小電阻接地方式或消弧線圈并小電阻的接地方式，使10kV線路的零序電流由僅參與選線轉(zhuǎn)換到目前直接參與到線路保護(hù)快速跳閘邏輯中，零序電流回路的重要性大大提升，也對(duì)零序電流回路的完整性提出了更高的要求。但零序電流回路在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)無電流，在發(fā)生10kV零序電流保護(hù)電流二次回路斷線時(shí)，保護(hù)無法監(jiān)視、預(yù)警零序電流二次回路異常[1]。

近幾年電網(wǎng)系統(tǒng)已發(fā)生多起當(dāng)線路發(fā)生單相永久性接地時(shí)、因零序電流二次回路斷線導(dǎo)致保護(hù)越級(jí)跳閘和大面積停電的事故。線路保護(hù)發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)裝置二次回路中的零序電流超過定值限定的電流值，保護(hù)本應(yīng)該立即動(dòng)作及時(shí)隔離故障，但若線路的零序電流互感器及其二次回路故障，此時(shí)保護(hù)裝置無法采集線路中的電流，線路保護(hù)拒動(dòng)，保護(hù)將越級(jí)跳閘，造成大面積停電，嚴(yán)重影響10kV電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

但目前的檢測方法往往需要停電檢測，如文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種利用一次電流檢驗(yàn)電流互感器二次回路的方法，總結(jié)了現(xiàn)有變電站的電流檢測方法，但這些檢測方法不能在線路運(yùn)行時(shí)實(shí)行，無法解決現(xiàn)有電網(wǎng)負(fù)荷量大、停電檢修困難的問題，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且影響供電可靠性；為了在不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零序互感器及其二次回路的檢測，一些專家和學(xué)者研究了一種不停電在線檢測裝置，如文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種零序電流互感器不停電故障測試裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)零序電流互感器及其二次回路不停電檢測，但這類裝置主要是通過人工檢測，每次只能檢測一個(gè)間隔，效率低、風(fēng)險(xiǎn)高，缺少對(duì)全站的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)和其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)反饋。

為了解決零序電流互感器及其二次回路不停電在線檢測的交互性與智能化水平不高、各系統(tǒng)間相互獨(dú)立的問題，本文設(shè)計(jì)了零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全站的兩倍工頻電流的精準(zhǔn)輸出及精確采集、光纖數(shù)據(jù)有線傳輸、巡檢策略制定、自動(dòng)生成整站檢測報(bào)告等功能，有效解決了現(xiàn)有站內(nèi)10kV間隔多、零序電流保護(hù)拒動(dòng)且零序電流回路難以實(shí)時(shí)監(jiān)控等難題。

1 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)主要由兩倍工頻電流綜合處理裝置、光纖有線數(shù)據(jù)傳輸、智能終端、保護(hù)裝置、后臺(tái)智能主站等部分組成，如圖1所示。變電站10kV電網(wǎng)每個(gè)線路間隔都配置了零序電流互感器，線路正常運(yùn)行時(shí)三相電流平衡，零序電流互感器一次側(cè)零序電流為0，此時(shí)保護(hù)裝置采集的二次電流也為0。若在10kV間隔線路零序電流互感器一次側(cè)輸出一個(gè)較大的高頻電流時(shí)，可在線路正常運(yùn)行的情況下模擬升流試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測[4]。

圖1 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)接線圖

兩倍工頻電流綜合處理裝置。該系統(tǒng)為了保障兩倍工頻電流的穩(wěn)定輸出、采集，設(shè)計(jì)了集告警、應(yīng)用于一體的兩倍工頻電流綜合處理單元，固定安裝在各個(gè)間隔的零序電流互感器側(cè)，該裝置實(shí)現(xiàn)了輸出兩倍工頻電流和采集輸出的零序電流互感器一次電流，并能夠接收終端系統(tǒng)的指令。

數(shù)據(jù)傳輸。兩倍工頻電流綜合處理裝置與智能終端之間距離較遠(yuǎn)，為了更好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)通過交換機(jī)和光纖有線傳輸實(shí)現(xiàn)了兩倍工頻電流綜合處理裝置和智能終端之間的數(shù)據(jù)交互。同時(shí)該系統(tǒng)通過正向隔離裝置和反向隔離裝置與自動(dòng)化通訊系統(tǒng)和自動(dòng)化告警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同安全區(qū)域之間的數(shù)據(jù)交互。

智能終端。該系統(tǒng)智能終端可根據(jù)變電站的實(shí)際情況設(shè)定巡檢策略，確定待巡檢間隔，并采集該間隔兩倍工頻電流綜合處理裝置輸出的一次電流和保護(hù)裝置經(jīng)電纜傳輸?shù)亩坞娏鳎?jì)算零序電流互感器實(shí)際變比并生成智能檢測報(bào)告，根據(jù)檢測報(bào)告進(jìn)行智能診斷，并在零序電流互感器及其二次回路存在異常時(shí)及時(shí)告警。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。智能在線檢測系統(tǒng)的智能終端設(shè)置的巡檢模式按變電站的檢修計(jì)劃分為手動(dòng)巡檢、周期巡檢、自定義巡檢等不同優(yōu)先級(jí)，并將巡檢指令通過光纖有線傳輸裝置發(fā)送至巡檢任務(wù)中相應(yīng)線路間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置[5]。兩倍工頻電流綜合處理裝置接收到檢測信號(hào)后向零序電流互感器輸出100Hz的高頻電流，并對(duì)零序電流互感器一次回路中的電流進(jìn)行采集和綜合處理，判斷兩倍工頻處理裝置是否運(yùn)行良好，同時(shí)兩倍工頻處理裝置將輸出的一次高頻電流值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送給智能終端。二次電流由零序電流互感器的二次回路流入到保護(hù)裝置，再由保護(hù)裝置經(jīng)電纜至智能終端，智能終端結(jié)合一次電流、二次電流、保護(hù)限定的變比綜合判斷線路間隔的零序電流互感器及其二次回路情況并生成巡檢報(bào)告。

圖2 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)的工作流程圖

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

智能終端多元化巡檢功能。其主要針對(duì)變電站線路間隔負(fù)荷量大、難停電、待檢修間隔多，因此根據(jù)變電站線路間隔負(fù)荷量情況制定一套智能、靈活的檢修計(jì)劃。負(fù)荷量大的線路間隔設(shè)置的優(yōu)先級(jí)高，負(fù)荷量低的間隔設(shè)置的優(yōu)先級(jí)低，根據(jù)檢修計(jì)劃的優(yōu)先級(jí)制定定期巡檢策略，設(shè)置檢修線路和檢修時(shí)間，在遇到現(xiàn)場工作需要和突發(fā)情況需要立即對(duì)零序電流互感器及其二次回路檢測時(shí)，可自定義設(shè)置手動(dòng)巡檢，確認(rèn)好巡檢線路及巡檢時(shí)間后，智能終端將發(fā)送巡檢指令給兩倍頻電流綜合處理裝置，實(shí)現(xiàn)智能檢測[6]。

兩倍工頻電流智能管理功能。兩倍工頻電流的生成、傳輸、采集、置檢等功能是由兩倍工頻電流綜合處理裝置實(shí)現(xiàn)的，它包含了電流產(chǎn)生模塊1、電流采集模塊2、數(shù)據(jù)處理器3、通訊及告警模塊4的4個(gè)部分。在數(shù)據(jù)處理器3接收到檢測信號(hào)后，控制電流產(chǎn)生模塊1輸出100Hz高頻電流，此高頻電流經(jīng)零序電流互感器T1流入一次電流回路，電流采集模塊2實(shí)時(shí)采集裝置輸出給零序電流互感器的高頻電流并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器3，在數(shù)據(jù)處理器3進(jìn)行裝置的校驗(yàn)，確認(rèn)電流產(chǎn)生模塊1輸出的電流和電流采集模塊2采集的電流在誤差允許范圍內(nèi)是否相等（允許誤差≤0.5%），若輸出和采集的電流值在誤差允許的范圍內(nèi)相等，則裝置運(yùn)行良好，將裝置輸出給零序電流互感器的一次電流值傳輸至智能終端，若是不相等則通訊及告警模塊4接收到數(shù)據(jù)處理器3的異常信號(hào)，變電站現(xiàn)場立即告警響應(yīng)，并將異常信號(hào)傳輸給智能終端[7-8]。

智能診斷功能。兩倍工頻電流綜合處理裝置輸出100Hz的高頻電流時(shí)，經(jīng)零序電流互感器二次回路流入保護(hù)裝置的端子排，再由保護(hù)裝置流出后經(jīng)電纜流入到智能終端，在智能終端A/D轉(zhuǎn)換后得到該線路間隔的二次電流值，再與該間隔的高頻一次電流值進(jìn)行變比計(jì)算，計(jì)算出間隔線路的測量變比，判斷間隔線路的測量變比和保護(hù)定值限定的變比在誤差允許范圍內(nèi)是否相等（允許誤差≤0.5%），若是相等則智能終端輸出檢測報(bào)告，反饋檢測正常，信號(hào)復(fù)歸，回到初始狀態(tài)；若不相等則智能終端反饋結(jié)果不正常，并向測控告警系統(tǒng)發(fā)送硬接點(diǎn)告警信號(hào)，點(diǎn)亮本裝置的告警指示燈，并通知變電站管理人員零序電流互感器及其二次回路存在異常，需立即處理[9]。

2 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 在線檢測系統(tǒng)的智能終端

零序電流互感器及其二次回路不停電智能檢測系統(tǒng)的智能終端運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如3所示，主要由交流電流采集模塊1、交流電流采集模塊2、數(shù)據(jù)綜合處理模塊、人機(jī)交互模塊、通訊及告警模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、電源模塊等部分組成。

圖3 零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)的智能終端運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

零序電流互感器及其二次回路不停電智能檢測系統(tǒng)的智能終端運(yùn)行原理如下：

電流采集模塊：交流采集模塊1采集來自工頻電流綜合處理裝置經(jīng)光纖線路流入的一次電流，交流采集模塊2采集來自10kV保護(hù)裝置經(jīng)電纜線路流入的二次電流，并分別將數(shù)據(jù)信息傳輸給數(shù)據(jù)綜合處理器。

數(shù)據(jù)綜合處理模塊：將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行變比運(yùn)算、智能判斷、自動(dòng)錄入并生成整站檢測報(bào)告，并將數(shù)據(jù)傳輸至人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)交互模塊、通訊及告警模塊。

人機(jī)交互模塊：可以根據(jù)變電站實(shí)際情況設(shè)置巡檢模式、制定周期巡檢時(shí)間、計(jì)劃定期巡檢和特殊特巡。通過周期巡檢確認(rèn)在周期時(shí)間內(nèi)的零序電流互感器變比及其二次回路情況，保持周期巡檢數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)，在執(zhí)行特殊任務(wù)和定檢計(jì)劃下，需要確認(rèn)零序電流互感器及其二次回路情況時(shí)，進(jìn)行定期巡檢和特殊巡檢，多次測量后將相關(guān)變比、巡檢時(shí)間（精確到秒）等數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)綜合處理模塊。

數(shù)據(jù)交互模塊：通過防火墻與生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)綜合處理模塊生成的巡檢報(bào)告進(jìn)行信息判別，并將與作業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳送給生產(chǎn)系統(tǒng)，在保護(hù)定檢、設(shè)備試驗(yàn)時(shí)提供有利的數(shù)據(jù)支持。

通訊及告警模塊：在接收到數(shù)據(jù)綜合處理模塊發(fā)出的告警指令后立即告警響應(yīng)，并將告警信息通過硬結(jié)點(diǎn)反饋給廠站綜合自動(dòng)化通信系統(tǒng)、測控告警系統(tǒng)，提醒變電運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)零序電流互感器變比失準(zhǔn)、二次回路接觸不良或開路等缺陷，并及時(shí)安排消缺，排除安全隱患。

2.2 兩倍工頻電流綜合處理技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)可以對(duì)變電站任一間隔線路進(jìn)行高頻電流升流試驗(yàn)在每個(gè)線路間隔的零序電流互感器旁安裝兩倍工頻電流綜合處理裝置，并將裝置的升流線固定安裝在零序電流互感器內(nèi)。兩倍工頻電流綜合裝置的原理圖如圖4所示，裝置內(nèi)的各個(gè)模塊之間通過射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)信息匯總到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行綜合分析[10]。該裝置可實(shí)現(xiàn)兩倍工頻電流的精準(zhǔn)輸出及精確采集，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

圖4 兩倍工頻電流綜合處理裝置原理圖

兩倍工頻電流發(fā)生技術(shù)。兩倍工頻電流產(chǎn)生模塊接受數(shù)據(jù)處理模塊的控制命令，輸出相應(yīng)的電流集成應(yīng)用于小信號(hào)電流熔斷器并發(fā)生、輸出兩倍工頻電流。采用兩倍工頻電流發(fā)生技術(shù)是為確保設(shè)備正常運(yùn)行，兩倍工頻電流即100Hz電流，由于微機(jī)保護(hù)采樣板配置了模擬低通濾波器(ALF)，該電流輸入至10kV保護(hù)裝置時(shí)可被保護(hù)裝置濾波屏蔽，確保檢測零序電流互感器及其二次回路時(shí)不影響10kV保護(hù)裝置零序電流保護(hù)正常運(yùn)行[10-11]。

輸出限流技術(shù)。兩倍工頻電流綜合處理裝置配有輸出限流功能，同時(shí)將電流采集模塊采集的電流值與設(shè)定限流定值比較，當(dāng)采集電流值比限流定值大時(shí)立即閉鎖裝置電流輸出并告警響應(yīng)，在升流試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置輸出的兩倍工頻電流允許的最大值為15A，遠(yuǎn)小于10kV間隔零序電流保護(hù)60A～75A(一次值)的定值，有效避免零序電流互感器升流時(shí)低通濾波器故障導(dǎo)致的零序電流保護(hù)誤動(dòng)。限制電流的大小小于零序過流保護(hù)的一次定值，將不會(huì)影響到原保護(hù)，防止保護(hù)因加量導(dǎo)致的保護(hù)拒動(dòng)或則勿動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)[12]。

基于霍爾元件的電流采集技術(shù)。電流采集模塊基于霍爾元件采集零序電流互感器電流，電流采樣相對(duì)誤差≤0.5%，量程一般為0.0～20A，實(shí)現(xiàn)了兩倍工頻電流的精準(zhǔn)輸出及精確采集。

2.3 智能檢測技術(shù)

智能檢測技術(shù)需要對(duì)全站的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控和采集，各個(gè)線路間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置可以對(duì)零序互感器傳輸兩倍工頻電流，此時(shí)一次側(cè)的電流可通過光纖線路經(jīng)高壓室的光交換機(jī)傳送給系統(tǒng)智能終端，同時(shí)在升流時(shí)零序互感器二次電流經(jīng)電流回路至保護(hù)裝置，保護(hù)裝置輸出的二次電流經(jīng)電纜傳輸至智能終端[13-14]。

系統(tǒng)智能終端將收集到全站各個(gè)間隔的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，可根據(jù)一次電流及二次電流的采樣值，采集判別完成零序電流互感器變比核算：

N1=I1/I2(N1是變比，I1是一次電流，I2是二次電流），自動(dòng)完成零序電流互感器變比計(jì)算，判斷各個(gè)間隔終端的零序電流互感器變比與保護(hù)定值變比在誤差范圍內(nèi)是否相等（允許誤差≤0.5%），若相等則零序電流互感器及其二次回路運(yùn)行正常，若變比不相等或誤差較大則零序電流互感器及其二次回路可能存在故障和異常狀況，需立即檢修。同時(shí)，智能檢測采用閉環(huán)反饋技術(shù)，當(dāng)變比不相等或誤差較大時(shí)智能終端發(fā)送閉鎖指令，立即閉鎖電流輸出裝置，確保零序電流互感器不停電升流工作的安全可靠。

檢測完畢后智能終端可自動(dòng)生成檢測報(bào)告，并將生成的EXCEL報(bào)告?zhèn)鬏斀o生產(chǎn)系統(tǒng)，以便在設(shè)備定檢、試驗(yàn)和故障檢查時(shí)提供有利的數(shù)據(jù)支持。定期匯總各個(gè)間隔的檢測結(jié)果，將數(shù)據(jù)報(bào)告進(jìn)行橫向比較，并通過周期性的多次試驗(yàn)對(duì)各間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較、綜合分析，檢查橫向比較和縱向比較的結(jié)果有沒有大的數(shù)據(jù)波動(dòng)。一旦出現(xiàn)大的數(shù)據(jù)異常將及時(shí)告警響應(yīng)，保證實(shí)時(shí)智能監(jiān)測零序電流互感器及其二次回路的健康狀況。智能終端生成的檢測報(bào)告如表1所示，顯示測試報(bào)告編號(hào)、測試時(shí)間、線路編號(hào)、額定變比、一次實(shí)測值、二次實(shí)測值、實(shí)測頻率、實(shí)測變比、誤差、結(jié)論，最終得出10kV零序電流互感器及其二次回路檢測的合格線路與不合格線路。

表1 電氣檢測報(bào)告

智能終端配有歷史報(bào)告查詢功能，可存儲(chǔ)100組檢測報(bào)告，通過所述智能終端的觸摸屏數(shù)據(jù)查詢菜單即可完成歷史數(shù)據(jù)查詢及信息傳遞功能[15]。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文研制的零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)在某變電站進(jìn)行試運(yùn)行，圖5為變電站現(xiàn)場零序電流互感器及其二次回路不停電智能在線檢測系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。

圖5 變電站在線檢測系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

系統(tǒng)的兩倍工頻電流綜合處理裝置固定配置在全站每個(gè)10kV線路間隔，該變電站10kV線路間隔零序電流一次保護(hù)定值Id已整定為60～75A，因此設(shè)置系統(tǒng)輸出的兩倍工頻電流值最大不超過15A，在對(duì)10kV間隔進(jìn)行一次升流試驗(yàn)時(shí)，智能終端限制電流輸出值只能設(shè)定任意小于15A的電流值，保障輸出的電流遠(yuǎn)小于零序電流保護(hù)定值的電流。變電站內(nèi)廠家的10kV保護(hù)裝置零序電流保護(hù)采樣模塊已配置濾波功能，只采集工頻電流值作為零序電流保護(hù)的幅值判據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用小信號(hào)電流熔斷器精準(zhǔn)輸出兩倍工頻電流，并配置輸出限流技術(shù)，有效避免零序電流互感器升流時(shí)零序電流保護(hù)誤動(dòng)。

系統(tǒng)的智能終端根據(jù)變電站的實(shí)際情況設(shè)定巡檢策略進(jìn)行智能監(jiān)測、周期巡檢、自定義特巡，通過智能終端和各個(gè)間隔的兩倍工頻電流綜合處理裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全站多個(gè)間隔的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)零序電流互感器變比失準(zhǔn)、二次回路接觸不良或開路等缺陷，智能終端與測控告警系統(tǒng)、自動(dòng)化通信系統(tǒng)通過正反向隔離裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷則立即異常告警，預(yù)警變電運(yùn)行部門及時(shí)安排消缺，排除安全隱患。

4 結(jié)語

本文集成應(yīng)用兩倍工頻電流綜合管理技術(shù)、在線智能檢測技術(shù)和智能終端巡檢技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了零序電流互感器及其二次回路不停電在線檢測系統(tǒng)，通過光纖線路的數(shù)據(jù)傳輸、智能終端的綜合管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10kV電網(wǎng)線路間隔零序互感器及其二次回路的實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測、診斷，降低了線路間隔零序互感器及其二次回路在運(yùn)行時(shí)故障的風(fēng)險(xiǎn)，防止了線路間隔的越級(jí)跳閘以及擴(kuò)大保護(hù)范圍，保障了人身安全。該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)零序電流互感器及其二次回路狀態(tài)隱患并預(yù)警通知運(yùn)維人員檢查消缺，確保了10kV電網(wǎng)線路間隔安全可靠運(yùn)行，有效提升了變電站設(shè)備智能運(yùn)維技術(shù)水平。