一種裝配式電能計(jì)量模塊故障在線自檢裝置研究

賀小明，李 華，王思民，殷 杰，李玉芬，惠 杰

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048；2.國網(wǎng)宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800；3.南京成瑞科技有限責(zé)任公司，南京 210003）

目前，我國10 kV配電專變客戶電能計(jì)量裝置安裝大多要經(jīng)歷互感器安裝、熔斷器安裝、二次回路線安裝、計(jì)量裝置的封印及通電檢查各項(xiàng)參數(shù)等多個工序，過程繁瑣效率低下，接線的準(zhǔn)確性難以保證。為響應(yīng)國網(wǎng)公司提出的一、二次融合技術(shù)導(dǎo)向，將互感器、電能表、二次導(dǎo)線集成一體化的計(jì)量模塊已逐漸出現(xiàn)，但這種模塊的主要部件互感器、二次回路的接線準(zhǔn)確和可靠性等因素不能像以往通過外觀來檢查，故障和非正常運(yùn)行狀態(tài)不能提示和預(yù)警。隨著我國電能計(jì)量管理信息化技術(shù)的革新，電能計(jì)量管理模式逐漸由定期檢修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修管理模式[1]。為此本文對基于裝配式電能計(jì)量模塊故障在線自檢裝置進(jìn)行了研究，分析電能計(jì)量模塊可能存在的故障信息，并構(gòu)建一種自檢裝置的硬件配置和軟件流程。

1 裝配式計(jì)量模塊故障類型

10 kV高壓電能計(jì)量裝置是由電壓互感器、電流互感器和低壓電能表這些分離部件組合而成[2]，包括其專用的接線端子排、端子盒、二次線等部件。一體化的計(jì)量模塊是將全部或部分部件組合成一體，能夠簡化安裝接線和換表等工序，提高計(jì)量整體可靠性的一種模塊。一體化模塊根據(jù)電壓、電流互感器組合的形式可分為單相、三相二元件、三相三元件3種類型。對于負(fù)荷均衡、負(fù)荷率高、負(fù)荷變動不大的企業(yè)配電專變往往采用高供高計(jì)方式，且互感器組合形式為三相二元件方式，如圖1所示。

圖1 單變比兩元件組合方式

三相三線計(jì)量方式不僅能正確計(jì)量高壓用戶在對稱負(fù)載時(shí)的實(shí)際用電量，也可準(zhǔn)確計(jì)量不同負(fù)載情況下的實(shí)際用電量[3]，即負(fù)載的波動并不影響正常的電能計(jì)量。但在計(jì)量裝置發(fā)生故障時(shí)情況不一樣。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，電能計(jì)量裝置中的互感器和二次回路是引起計(jì)量誤差變化的重要因素[4]。計(jì)量裝置故障包括電能表故障、互感器一次回路故障、互感器二次回路故障等。電能表可通過定期校表保證其準(zhǔn)確性，電壓互感器一次和二次回路開路可通過有無對應(yīng)電壓來進(jìn)行判別，電壓互感器電壓回路短路有熔斷器進(jìn)行保護(hù)動作，由于電壓二次回路接觸不良造成計(jì)量電壓偏低，采用和正常一次電壓進(jìn)行比較，這些故障檢測起來比較容易實(shí)現(xiàn)。

電流互感器一次發(fā)生開路故障時(shí)二次無電流，負(fù)載也無電流，不影響計(jì)量；當(dāng)電流一次繞組發(fā)生短接故障則二次無電流，負(fù)載有正常電流，影響計(jì)量；若電流二次回路開路（避免發(fā)生），則電流互感器勵磁磁路飽和，計(jì)量誤差大，且二次繞組會產(chǎn)生危險(xiǎn)的電壓危及設(shè)備和人身安全。

電流互感器在接線或運(yùn)行時(shí)引起的二次電流回路反接、二次相間短路、二次負(fù)載超限或匝間短路故障，均會引起計(jì)量誤差，但這種故障發(fā)生時(shí)往往沒有預(yù)警提醒，不像計(jì)量模塊外部故障如短路、斷路等引起的計(jì)量超差或超限那樣，可以通過保護(hù)告警裝置提示工作人員去消除恢復(fù)后可正常運(yùn)行，所以需要對計(jì)量模塊內(nèi)部可能的故障進(jìn)行分析，并構(gòu)建一種故障自檢模塊進(jìn)行在線檢測，如有計(jì)量超差超限則發(fā)出警告并提示相關(guān)信息。

2 裝配式計(jì)量模塊的故障分析

2.1 電流互感器二次側(cè)相間短路和反接故障

負(fù)載正常時(shí)CT各相繞組的電壓電流滿足關(guān)系，即

式中：φa、φb、φc為對應(yīng)線電壓與電流的相位差，由于

對于兩元件組合方式，有

這時(shí)電能表正常計(jì)量。當(dāng)電流互感器二次側(cè)發(fā)生相間短路時(shí)，流入A、C相電能表電流線圈的電流矢量和為。流入A、C相電能表電流均為，電流大小為I，與Uab相位差30°－φa，與Ucb相位差30°+φc，則式（4）表明電能表電能計(jì)量將減少變慢。

當(dāng)發(fā)生電流互感器二次側(cè)反接時(shí)，假設(shè)A相反接，則流入A相電能表電流線圈的電流與Uab相位差150°-φa，則

2.2 CT二次匝間短路故障

對于電磁式電流互感器，假設(shè)二次短路匝數(shù)為nN2，Ik為二次短路線圈的短路電流，n為短路閘數(shù)與二次總匝數(shù)的占比，如圖2所示；Z1、Z2為CT一次繞組阻抗和二次繞組阻抗，Zk′為短路繞組折算到二次繞組的阻抗值，ZS為二次回路導(dǎo)線阻抗，Zkwh為電能表輸入阻抗，CT二次繞組匝間短路時(shí)折算到二次等效電路如圖3所示。

圖2 CT二次繞組匝間短路結(jié)構(gòu)圖

圖3 CT二次繞組匝間短路折算到二次等效電路

其中

在CT磁路未進(jìn)入過激飽和狀態(tài)下忽略勵磁分支的影響，有I1′＝Ik′+I2，綜合式（6）—（10）可得

由式（11）可以看出在故障相保證二次回路導(dǎo)線阻抗ZS和電能表輸入阻抗Zkwh不變時(shí)，一次電流和二次電流有一定的關(guān)系。只要n不是很小，由閘間短路引起的一、二次電流變化處于互感器精度誤差范圍之外，那么就可以通過式（11）來辨別閘間短路故障。對于電磁式電流互感器，如果A相二次繞組發(fā)生匝間短路，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，故障相A相的原邊端口電流波形比正常運(yùn)行時(shí)有所上升，副邊端口電流波形有所下降，而非故障相B相和C相的原副邊電流波形與正常運(yùn)行時(shí)沒有明顯變化[5]。則可以通過檢測一次和二次電流變化及相互關(guān)系來判斷是否發(fā)生匝間短路，這要求增加一次電流的檢測電路。

2.3 基于CT二次回路阻抗的故障分析

電流互感器的二次導(dǎo)線和二次負(fù)載的變化會影響互感器實(shí)際二次負(fù)荷，從而影響電能表的計(jì)量準(zhǔn)確性。穩(wěn)定狀態(tài)下影響電流互感器誤差的主要因素有2個：一是二次線圈阻抗及負(fù)載阻抗；二是鐵芯材料及制造工藝相關(guān)的參數(shù)，并且線圈及負(fù)載阻抗與電流互感器的誤差成正比關(guān)系[6]?？紤]到電磁式互感器可用T型電路模型來表示，電流互感器的比差fⅠ和角差δⅠ分別為[7]

式中：Im為互感器勵磁電流，I1為一次電流，θ0為互感器主磁通滯后勵磁電流的角度，φ為互感器二次回路電壓U2滯后二次繞組電動勢E2角度，勵磁導(dǎo)納Ym=Im/U2。對于確定的互感器，Ym、θ0與二次回路導(dǎo)納和二次電壓無關(guān)。由于電流互感器在磁路未飽和時(shí)，二次電流的輸出不受二次負(fù)載的影響，勵磁電壓隨二次負(fù)載變化而線性變化。當(dāng)二次負(fù)載超過一定值，二次勵磁電壓將躍過拐點(diǎn)進(jìn)入非線性特性曲線區(qū)域，計(jì)量誤差明顯增大。故影響二次回路等效阻抗（等效導(dǎo)納）的主要因素是二次回路總負(fù)載阻抗和互感器本身勵磁特性。對于互感器勵磁特性廠家出廠時(shí)已有確定參數(shù)曲線，而二次回路總負(fù)載阻抗如何變化則是需要進(jìn)一步分析和特征提取。

正常狀態(tài)時(shí)把電流互感器一次參數(shù)折算到二次側(cè)，假設(shè)電流互感器電流比為N2/N1，一次電流為I1，一次繞組阻抗為Z1，勵磁阻抗為Zm，二次電流為I2，二次繞組阻抗為Z2，二次回路導(dǎo)線阻抗為ZS，電能表輸入阻抗為Zkwh，Z1′為Z1折算到二次側(cè)的值，ZL′為一次負(fù)載折算到二次繞組的值，RK′為一次短路線電阻折算到二次繞組的值。電流互感器非正常狀態(tài)折算到二次側(cè)的等效電路如圖4所示，其中圖4中（a）為電流互感器一次繞組側(cè)發(fā)生短接故障時(shí)的等效電路，（b）為電流互感器二次繞組側(cè)發(fā)生短接故障時(shí)的等效電路,（c）為計(jì)量表端短接時(shí)的等效電路，（d）為電流互感器二次開路故障時(shí)的等效電路。

對于圖4（a）電流互感器一次繞組短接，從二次繞組看去等效阻抗為Z′＝[ZL′//RK′+Z1′]//Zm+Z2+ZS+Zkwh，對于圖4（b）電流互感器二次繞組短接，從二次繞組看去等效阻抗為:Z′＝[（ZL′＋Z1′）//Zm+Z2]//RK+ZS+Zkwh，對于圖4（c）電表端電流短接，從二次繞組看去等效阻抗為:Z′＝[（ZL′＋Z1′）//Zm+Z2]+ZS+Zkwh//RK，對于圖4（d）Z′=∞。這幾種故障下各自從二次側(cè)看進(jìn)去的等效阻抗（對應(yīng)等效導(dǎo)納）均不相同，如果在已知互感器正常工作情況下的勵磁特性曲線參數(shù)，那么這幾種故障就可以通過附加的檢測電路來實(shí)現(xiàn)非正常計(jì)量狀態(tài)的判斷。

圖4 電流互感器非正常狀態(tài)折算到二次側(cè)的等效電路

3 計(jì)量模塊的故障自檢系統(tǒng)配置

通過以上分析，考慮到計(jì)量模塊的故障和非正常狀態(tài)，均會造成計(jì)量的不準(zhǔn)確或事故，為此設(shè)計(jì)一種計(jì)量模塊的故障自檢系統(tǒng)，自檢系統(tǒng)要求增加一次電流檢測和二次電流檢測，為了不影響原先計(jì)量回路的精度，計(jì)量CT采用雙線圈輸出方式，其中N2為計(jì)量輸出線圈，N3為增加的一次電流檢測線圈。在二次回路中增加二次電流檢測CT、調(diào)制信號CT和調(diào)制信號檢測CT，并將其一起和原有計(jì)量模塊封裝在一起。計(jì)量模塊的自檢系統(tǒng)配置如圖5所示。

圖5 計(jì)量模塊的自檢系統(tǒng)配置圖

如果通過計(jì)量CT的N2和N3線圈輸出電流對比判斷計(jì)量二次電流在非正常狀態(tài)下，則啟動調(diào)制信號，通過調(diào)制信號CT注入特定電流到二次回路中，由調(diào)制信號檢測CT檢測二次回路中的電流，通過信號前端電路、信號濾波電路、調(diào)制交流采樣接口等電路送到處理器進(jìn)行二次回路的阻抗計(jì)算，判斷回路的狀態(tài)情況，其中U2a為從計(jì)量PT上取得電壓，I3a為N3線圈輸出電流，I′2a為二次電流檢測CT二次輸出電流。其回路狀態(tài)自檢原理示意如圖6所示。

圖6 計(jì)量回路狀態(tài)的自檢示意圖

4 計(jì)量模塊故障在線自檢判斷流程圖

自檢程序要判斷的故障或非正常狀態(tài)，按循環(huán)方式判斷是否處于斷相、失壓、電壓回路壓降過低、電流二次相間短接、電流二次反接和二次閘間短路等故障狀態(tài)，在二次電壓正常但二次電流異常低于下限值時(shí)啟動調(diào)制信號注入二次回路，進(jìn)行二次回路狀態(tài)判斷和回路阻抗（導(dǎo)納）分析。計(jì)量模塊故障在線自檢判斷流程如圖7所示。

圖7 計(jì)量模塊故障在線自檢判斷流程圖

5 結(jié)束語

本文針對將互感器、電能表、二次導(dǎo)線等一體化的裝配式計(jì)量模塊，從模塊互感器一次和二次故障，以及在非正常計(jì)量情況下的電流電壓、二次等效阻抗等特征參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了一種在常規(guī)計(jì)量回路中計(jì)量CT采用雙線圈方式，通過增加二次電流檢測CT、調(diào)制信號CT和調(diào)制信號檢測CT的計(jì)量自檢方案。同時(shí)闡述了自檢方案的基本原理，利用在發(fā)現(xiàn)電流電壓回路異常時(shí)，啟動調(diào)制信號疊加在二次回路上，并通過提取調(diào)制后的二次信號來判斷二次回路的工作狀態(tài)。最后給出了計(jì)量模塊二次回路狀態(tài)判斷流程圖。