基于電流互感器的二次回路故障智能檢測(cè)方法

張良

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

電流互感器作為電能傳輸?shù)闹匾O(shè)備，其可靠性是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。電流互感器二次回路故障包括短路和開(kāi)路兩種，會(huì)對(duì)電能計(jì)量及電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。電流互感器二次回路開(kāi)路、短路現(xiàn)象通常是因觸點(diǎn)破損、接觸不良和人為短接或斷開(kāi)等故障引起。用于電能測(cè)量的電流互感器發(fā)生故障會(huì)對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性造成影響，二次回路開(kāi)路是導(dǎo)致電力安全事故的重要因素之一，電流互感器二次回路故障可通過(guò)電流回路的導(dǎo)納值進(jìn)行判斷，根據(jù)回路中導(dǎo)納值的實(shí)時(shí)檢測(cè)即可對(duì)回路的運(yùn)行情況進(jìn)行診斷［1］。綜上所述，對(duì)電流回路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理是系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保證。

1 二次回路故障類(lèi)型

電流互感器在電能的生產(chǎn)、傳輸及使用中廣泛應(yīng)用，與二次測(cè)的其他設(shè)備共同對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管監(jiān)測(cè)，同時(shí)與系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置相連，對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)電能安全穩(wěn)定的傳輸。因此需要對(duì)其二次回路故障進(jìn)行檢測(cè)，并做好預(yù)防措施，二次回路故障主要內(nèi)容包括兩點(diǎn)接地、電路斷路和電氣設(shè)備錯(cuò)誤接線(xiàn)三方面［2～4］。

1.1 兩點(diǎn)接地

電流互感器正常運(yùn)行時(shí)，為了確保系統(tǒng)安全，其二次側(cè)線(xiàn)圈需要單點(diǎn)接地，但是當(dāng)電流互感器發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)，系統(tǒng)中的二次回路與大地連接而產(chǎn)生分流，因此一次側(cè)的電流就無(wú)法通過(guò)二次側(cè)來(lái)表征，二次回路不能如實(shí)反映一次側(cè)的運(yùn)行情況，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致二次回路的監(jiān)控系統(tǒng)異常運(yùn)行和錯(cuò)誤判斷。

由電流互感器的工作原理及特性可知，正常工作時(shí)，其一次側(cè)和二次側(cè)通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)彼此連接，對(duì)二次側(cè)進(jìn)行電氣設(shè)備檢測(cè)時(shí)不存在高壓對(duì)人身構(gòu)成的威脅，當(dāng)電流互感器一次側(cè)絕緣系統(tǒng)被損壞時(shí)，二次側(cè)會(huì)檢測(cè)到一次側(cè)的高電壓，這樣就會(huì)對(duì)二次側(cè)的電氣設(shè)備性能產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)增加人身觸電的幾率。因此針對(duì)上述隱患，需要將二次側(cè)線(xiàn)圈單點(diǎn)接地，為二次側(cè)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和人身安全提供保障，系統(tǒng)中電流互感器運(yùn)行前需對(duì)一次側(cè)的絕緣性和二次側(cè)的接地點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)正常后方可投入運(yùn)行［5］。

1.2 斷路原因分析

電流互感器發(fā)生斷路原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）電路設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致滑片與金屬片連接不可靠引起斷路；

（2）二次側(cè)端子未可靠連接，線(xiàn)路中有大電流時(shí)因高溫及老化引起斷路；

（3）受周?chē)h(huán)境影響，二次側(cè)端子生銹腐蝕、電纜內(nèi)芯斷裂等因素引起斷路。電流互感器原理如圖1所示：

圖1 電流互感器原理圖

電流互感器的一次繞組、二次繞組分別用L1和L2來(lái)表示。由互感器的原理可知，互感器兩端電壓與其匝數(shù)的關(guān)系如下：

式中E1、E2分別為一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓，N1、N2分別為一次側(cè)和二次側(cè)線(xiàn)圈匝數(shù)。電流互感器變比表達(dá)式如下：

電流互感器正常工作時(shí)不能出現(xiàn)斷路情況，因?yàn)楫?dāng)電流互感器斷路時(shí)一次側(cè)電流全為勵(lì)磁電流，大小是正常電流的幾百倍，由互感器原理可知二次側(cè)會(huì)感應(yīng)出上千伏的高壓，鐵芯的磁通也會(huì)劇增，互感器溫度不斷升高，存在燒毀電路的隱患，同時(shí)人身安全也將會(huì)受到嚴(yán)重威脅。

電流互感器二次側(cè)斷路時(shí)回路中沒(méi)有電流會(huì)導(dǎo)致相關(guān)繼電保護(hù)裝置無(wú)法正常工作或者誤動(dòng)作，二次側(cè)斷路會(huì)引起系統(tǒng)內(nèi)溫度急劇上升易引起火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)破壞線(xiàn)路的絕緣性能，擊穿絕緣體，導(dǎo)致單相接地等安全隱患［6］。

1.3 電氣設(shè)備接線(xiàn)錯(cuò)誤

系統(tǒng)中的電流互感器與多個(gè)電氣設(shè)備相連，接線(xiàn)時(shí)由于人為操作失誤導(dǎo)致的電氣設(shè)備間錯(cuò)誤接線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。

2 故障檢測(cè)方法分類(lèi)

2.1 絕緣性檢測(cè)法

將被測(cè)電路接地端與系統(tǒng)斷開(kāi)，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的絕緣等級(jí)選取合適的測(cè)量?jī)x對(duì)電路的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)該方法既可以對(duì)系統(tǒng)的絕緣性進(jìn)行測(cè)試，又可以確定系統(tǒng)中電路的接地點(diǎn)，這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的快速檢測(cè)，具有一定的實(shí)用性，但對(duì)于系統(tǒng)電路接地問(wèn)題以及絕緣性不滿(mǎn)足要求的具體原因無(wú)法進(jìn)一步檢測(cè)確定。

3）建立教學(xué)評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)庫(kù)。智慧課堂的使用有利于對(duì)學(xué)生各方面能力培養(yǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，大數(shù)據(jù)可以真實(shí)、客觀地反映學(xué)生具體的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)效果，因此可以更好地檢驗(yàn)以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為目標(biāo)的高職大學(xué)英語(yǔ)教學(xué)。通過(guò)高職英語(yǔ)智慧教學(xué)大數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，還可以了解每個(gè)學(xué)生存在的困難，教師根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)督學(xué)、導(dǎo)學(xué)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和難度，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展和核心素養(yǎng)的提升。

2.2 直流測(cè)試法

由歐姆表的特性可知當(dāng)其與被測(cè)電路相連接時(shí)，電路阻抗會(huì)很低，將電路二次側(cè)與電纜連接的轉(zhuǎn)接點(diǎn)全部斷開(kāi)，從而保證內(nèi)部接線(xiàn)斷路，彼此間無(wú)電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣才能進(jìn)行正常的檢測(cè)。該測(cè)試方法工序繁瑣，雖然可以對(duì)系統(tǒng)電路的回路運(yùn)行情況進(jìn)行判定，但是對(duì)電路其他性能的檢測(cè)卻無(wú)能為力［7］。

2.3 一次側(cè)通流法

將被測(cè)電流互感器的一次側(cè)與大容量升流系統(tǒng)的輸入端進(jìn)行連接，通過(guò)調(diào)節(jié)升流系統(tǒng)使一次側(cè)輸入所需的大電流。根據(jù)被測(cè)互感器的電氣參數(shù)在其一次側(cè)輸入正常工作電流，在其二次側(cè)連接相關(guān)電氣設(shè)備用來(lái)檢測(cè)二次側(cè)電流的大小和具體電氣特性，結(jié)合電路理論和電流互感器的工作原理，對(duì)電流互感器二次回路連接狀態(tài)進(jìn)行判定［8］。該方法一次側(cè)接入電流大小可調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)一次側(cè)電流的大小對(duì)二次側(cè)回路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)于系統(tǒng)中包含變壓器組的電路來(lái)說(shuō)，因其無(wú)法準(zhǔn)確模擬導(dǎo)致實(shí)際檢測(cè)效果不理想。

3 二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)原理

電流互感器工作區(qū)分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N。當(dāng)其在線(xiàn)性工作區(qū)時(shí)，內(nèi)阻無(wú)窮大，可以等效成一個(gè)恒流源，二次側(cè)的輸出與負(fù)載阻抗的變化無(wú)關(guān)，但當(dāng)阻抗繼續(xù)增大時(shí)，二次側(cè)的勵(lì)磁電壓也隨之增大，直至電流互感器的飽和電壓，此時(shí)電流互感器在非線(xiàn)性區(qū)域工作，同時(shí)勵(lì)磁電流隨著勵(lì)磁電壓的增大而增大，最終導(dǎo)致勵(lì)磁回路將二次側(cè)負(fù)載電流分流［9］。

根據(jù)電流互感器等效電路（如圖2所示），可以得到誤差表達(dá)式如下：

圖2 電流互感器等效電路圖

式中R2為二次側(cè)直流電阻，x′2為折算到二次側(cè)漏抗值，Zb為負(fù)載阻抗，表達(dá)式如下：

由上述分析可知，電流互感器二次側(cè)電路導(dǎo)納與負(fù)載阻抗大小以及勵(lì)磁特性有關(guān)，互感器正常工作時(shí)其負(fù)載阻抗恒定，勵(lì)磁阻抗隨著勵(lì)磁電壓的改變而變化。

3.2 系統(tǒng)方案

二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部包括一個(gè)兩路信號(hào)輸出的電流互感器，一路用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)量，另一路實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，與被測(cè)電流互感器構(gòu)成一個(gè)電流回路。電流互感器二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖3所示。被測(cè)電流互感器二次側(cè)正常運(yùn)行狀態(tài)以及開(kāi)路和短路狀態(tài)可以通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部電流互感器的導(dǎo)納值來(lái)判斷。通過(guò)在其信號(hào)檢測(cè)的線(xiàn)圈上注入一正弦信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)量線(xiàn)圈對(duì)被測(cè)互感器的信號(hào)變化進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和A/D采樣電路后送至處理器，最終實(shí)現(xiàn)被測(cè)互感器二次回路狀態(tài)的判斷。

圖3 二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3.3 檢測(cè)方法

根據(jù)二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，接入被測(cè)電流互感器，通過(guò)處理器經(jīng)正弦波發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，被測(cè)電流互感器的阻抗值因生產(chǎn)廠家及變比的不同而不同，這樣就會(huì)導(dǎo)致正弦信號(hào)的幅值隨著阻抗大小不同而發(fā)生變化，當(dāng)電流互感器二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)，根據(jù)短路程度以及短路電流所占的比例會(huì)有所區(qū)別，當(dāng)電流互感器二次側(cè)發(fā)生短路時(shí)，被測(cè)電流互感器的導(dǎo)納值會(huì)有明顯的變化，相當(dāng)于將其二次側(cè)用導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行連接，反饋信號(hào)保持不變［10］。對(duì)于二次回路發(fā)生開(kāi)路、短路現(xiàn)象時(shí)，該檢測(cè)系統(tǒng)可以靈敏的對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行判斷。

處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊具有12位采樣精度，對(duì)應(yīng)0-3V的測(cè)量范圍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將二次側(cè)短路和開(kāi)路時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值限定在采樣范圍內(nèi)，當(dāng)互感器正常工作時(shí)，調(diào)理電路輸出的電壓值與被測(cè)互感器有關(guān)，在一限定的電壓范圍內(nèi)，處理器根據(jù)采樣電壓值的大小就可以實(shí)現(xiàn)互感器運(yùn)行狀態(tài)的判斷，檢測(cè)系統(tǒng)分辨率較高［11］。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方法對(duì)某電流互感器進(jìn)行連續(xù)模擬故障檢測(cè)試驗(yàn)，二次回路在正常運(yùn)行、開(kāi)路及短路時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓幅值不同，如圖4所示，根據(jù)電壓大小即可對(duì)二次回路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 不同運(yùn)行狀態(tài)電壓波形圖

4 結(jié)論

本文基于導(dǎo)納法提出了一種用于電流互感器二次回路故障檢測(cè)的方法，可以對(duì)互感器正常運(yùn)行、開(kāi)路和短路等故障狀態(tài)實(shí)時(shí)智能檢測(cè)。首先對(duì)電流互感器二次回路故障類(lèi)型進(jìn)行描述，然后詳細(xì)介紹了電流互感器二次回路故障檢測(cè)方法的種類(lèi)，最后對(duì)本文所提出的二次回路故障檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)方案以及具體檢測(cè)方法進(jìn)行了說(shuō)明。該方法可以實(shí)現(xiàn)互感器在不同負(fù)載下的準(zhǔn)確檢測(cè)，在二次回路開(kāi)短路中應(yīng)用可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路故障，提高了檢測(cè)的靈活性和便捷性，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了重要保證。