電流回路隱性缺陷在線檢測(cè)裝置的研制與應(yīng)用

王玉財(cái),李志遠(yuǎn),李緋,吳一凡,朱炳旭,邵衛(wèi)星

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司,寧夏 靈武 750411;2.寧夏中創(chuàng)智能科技有限公司,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

連接電流互感器與保護(hù)裝置之間的交流二次回路是變電站內(nèi)重要的二次回路,電流二次回路一旦開路將產(chǎn)生很高的過電壓,引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)作、設(shè)備損壞,甚至發(fā)生人身觸電等嚴(yán)重事故[1-2]。電流回路的隱性缺陷是指電流互感器端子箱長(zhǎng)期布置于戶外運(yùn)行,由于風(fēng)吹日曬及熱脹冷縮的原因,導(dǎo)致端子排螺絲松動(dòng)或交流端子出現(xiàn)裂痕等問題,此時(shí)電流回路雖然沒有開路,但電纜線芯與端子的螺絲處因接觸不良易處于長(zhǎng)期發(fā)熱,最終導(dǎo)致開路的風(fēng)險(xiǎn)較大,影響變電站二次設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

電流回路隱性缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)在于電流回路未完全斷開,故障現(xiàn)象不明顯,常規(guī)檢測(cè)方法無法快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出電流回路的隱性缺陷[4]。為解決上述問題設(shè)計(jì)了一種基于電流回路二次負(fù)載阻抗檢測(cè)原理的電流回路隱性缺陷自動(dòng)檢測(cè)裝置。該裝置通過電壓采集回路采集出電流回路的電壓,通過電流采集回路采集出回路的二次電流值,之后裝置自動(dòng)計(jì)算出二次電流回路的負(fù)載值,依據(jù)設(shè)定的算法判別回路是否存在隱性缺陷,實(shí)現(xiàn)電流回路隱性缺陷的智能判斷和顯示,提高檢修人員現(xiàn)場(chǎng)判斷的準(zhǔn)確性及判斷效率,應(yīng)用實(shí)踐表明,裝置具有良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和推廣前景。

1 常規(guī)檢測(cè)方法

1.1 電流互感器停用時(shí)檢測(cè)方法

在電流互感器停用時(shí),一般采用二次回路直流電阻代替實(shí)際二次負(fù)載阻抗。將二次回路斷開,然后采用直流電橋直接進(jìn)行測(cè)量,得到電阻值。以此驗(yàn)證電流互感器二次回路接線是否完好。通過對(duì)比歷年檢修測(cè)量阻值變化,可快速發(fā)現(xiàn)電流互感器二次回路接觸不良、劃片未緊固、回路開路等故障[5-6],但是該方法需停電檢測(cè),無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

1.2 紅外測(cè)溫檢測(cè)方法

電流互感器二次回路正常有電流通過,如果電流互感器二次回路存在接觸不良,會(huì)使接觸電阻增大,從而導(dǎo)致更多的電阻損耗發(fā)熱。過多的電阻損耗發(fā)熱會(huì)造成接觸面氧化,使得接觸電阻進(jìn)一步增大,由此惡性循環(huán),最終導(dǎo)致開路故障。一般檢修人員通過紅外測(cè)溫能發(fā)現(xiàn)這些發(fā)熱故障點(diǎn)[7]。根據(jù)圖1,電流回路C411接線點(diǎn)有發(fā)熱現(xiàn)象,實(shí)測(cè)溫度70.6 ℃,環(huán)境溫度20.3 ℃,其他接線40 ℃左右,停電檢查計(jì)量回路中間連接片有斷裂跡象,檢修人員更換交流端子后,溫度恢復(fù)正常。

圖1 紅外測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)發(fā)熱。

紅外測(cè)溫方法雖然能發(fā)現(xiàn)電流回路的缺陷,但是該方法存在以下不足:第一,紅外測(cè)溫方法受環(huán)境溫度影響較大;第二,紅外測(cè)溫方法判斷不夠準(zhǔn)確;第三,當(dāng)保護(hù)裝置電流回路采樣異常時(shí),無法通過紅外測(cè)溫方法判斷出到底是裝置采樣插件的問題,還是電流二次回路的問題,此時(shí)需要本文所設(shè)計(jì)的電流回路隱性缺陷在線檢測(cè)裝置進(jìn)行在線定量準(zhǔn)確檢測(cè)。

2 在線檢測(cè)原理

2.1 電流互感器等值電路

正常運(yùn)行時(shí),電流互感器的等值電路如圖2所示[8]。

圖2 電流互感器的等值電路。

圖2中,ES為二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),Ze為勵(lì)磁阻抗,Xct為電流互感器二次繞組電抗,Rct為電流互感器二次繞組電阻,Zfz為二次負(fù)載阻抗(包括二次設(shè)備及連接導(dǎo)線)。電流互感器內(nèi)部等效阻抗Zs為Zct(二次繞組阻抗)與Ze(勵(lì)磁阻抗)之和。二次繞組阻抗一般不超過0.2 Ω,約為勵(lì)磁阻抗Ze的0.1%～1%,且不會(huì)在電流互感器出現(xiàn)飽和時(shí)發(fā)生變化,因此可用勵(lì)磁阻抗Ze替代內(nèi)部阻抗Zs。因此電流互感器的等值電流圖可簡(jiǎn)化成圖3。

圖3 電流互感器簡(jiǎn)化等值電路。

2.2 在線檢測(cè)設(shè)計(jì)思路

電流互感器二次回路正常運(yùn)行時(shí),其負(fù)載阻抗三相基本相同,并且數(shù)值較小,當(dāng)電流二次回路存在虛接等隱性故障時(shí),其負(fù)載阻抗值不同于正常相?；诖嗽砜赏ㄟ^檢測(cè)負(fù)載阻抗值來檢測(cè)二次回路的健康狀態(tài)。設(shè)計(jì)測(cè)量接線如圖4所示,為保證能夠進(jìn)行帶電檢測(cè),設(shè)計(jì)一種工頻阻抗測(cè)試裝置,測(cè)量位置應(yīng)在最接近電流互感器二次繞組的位置(開關(guān)端子箱或電流互感器二次接線盒),檢測(cè)時(shí)不需要對(duì)電流互感器二次回路做任何變動(dòng)。

圖4 測(cè)量回路設(shè)計(jì)。

Ze為電流互感器側(cè)的阻抗值,Zfz為二次負(fù)載回路的阻抗值。實(shí)測(cè)阻抗為兩側(cè)工頻阻抗的并聯(lián):

(1)

在二次回路未開路、無隱性故障的情況下,由于Ze>>Zfz,故正常情況下實(shí)測(cè)阻抗值為

Zn=Zfz

(2)

當(dāng)二次負(fù)載側(cè)開路的情況下,Xe>>Re故開路情況下實(shí)測(cè)阻抗值為

Zopen=Xe

(3)

如果負(fù)載回路開路,測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)極大的電感值,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電流互感器額定二次負(fù)載[9]。同歷史二次負(fù)載阻抗值及自身各相的阻抗值進(jìn)行對(duì)比,如果測(cè)量同類型的電流互感器二次繞組得到了差異化的數(shù)據(jù),但未完全開路,則可判定電流二次回路存在虛接、接觸不良等隱性缺陷。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

從2.2小節(jié)可以看出,電流互感器二次回路隱性缺陷檢測(cè)的重點(diǎn)在于測(cè)量負(fù)載回路的阻抗值,設(shè)計(jì)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。裝置主要由電壓采集模塊、電流采集模塊、主控計(jì)算模塊、電源模塊、顯示模塊組成。

圖5 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

電流采集模塊采集電流互感器二次負(fù)載回路電流,電壓采集模塊采集二次負(fù)載回路電壓,主控計(jì)算模塊用于計(jì)算二次負(fù)載回路阻抗值,并且與程序中的歷史阻抗值進(jìn)行比對(duì),進(jìn)行二次負(fù)載回路完好性判斷。

3.2 電流采集模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)二次負(fù)載回路電流的在線采集,基于電磁耦合法檢測(cè)原理,本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的鉗型電流傳感器,它主要由磁芯、線圈、積分電阻回路、金屬屏蔽盒等組成。金屬屏蔽盒由兩個(gè)半圓結(jié)構(gòu)構(gòu)成,其尺寸稍微大于磁芯,用于安裝固定磁芯,同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的干擾信號(hào)屏蔽掉。磁芯由耐腐蝕性好、磁導(dǎo)率高、穩(wěn)定性好的磁性材料構(gòu)成,它由兩個(gè)半圓經(jīng)金屬屏蔽盒的閉合結(jié)構(gòu)而形成一個(gè)圓環(huán)。在其中一半的圓環(huán)上纏繞線圈并串接積分電阻R,構(gòu)成積分電路。圖6中M為鉗型傳感器等效互感,LS為線圈的自感,Rs為線圈的等效電阻,Cs為等效雜散電容。當(dāng)電流互感器二次回路穿過圓環(huán)時(shí),在積分電阻R上會(huì)感應(yīng)出電壓信號(hào),該電壓信號(hào)經(jīng)主控計(jì)算模塊采集轉(zhuǎn)化后參與電流二次回路負(fù)載值計(jì)算,用于二次電流回路的狀態(tài)判斷[9]。

圖6 鉗型電流傳感器結(jié)構(gòu)及其等效電路。

3.3 電壓采集模塊設(shè)計(jì)

電流互感器二次回路在正常情況下測(cè)量繞組根部對(duì)地的電壓約為0.4 V左右,當(dāng)發(fā)生虛接等隱性故障時(shí)其電壓會(huì)顯著增大,而回路在開路時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓,因此設(shè)計(jì)電壓采集模塊需滿足以下兩個(gè)條件:第一,電壓采集模塊有足夠的精度;第二,電壓采集模塊具備高電壓保護(hù)功能。為滿足以上兩點(diǎn)要求,設(shè)計(jì)電壓采集模塊如圖7所示[10]。

圖7 電壓采集模塊設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能,回路串入過電壓保護(hù)電阻,每顆電阻耐壓800 V,總共耐壓4 000 V,電壓輸入后在電阻分壓器的保護(hù)方式下將該電壓轉(zhuǎn)換為電流,然后通過精密電流型電壓互感器使內(nèi)外隔離,外部高電壓通過大電阻后產(chǎn)生極小的電流,然后按照1∶1的比例在內(nèi)部產(chǎn)生電流,電流通過電阻后產(chǎn)生電壓,之后將該采集電壓輸入至主控計(jì)算模塊,用于負(fù)載回路阻抗值的計(jì)算。

4 裝置軟件流程設(shè)計(jì)

4.1 回路負(fù)載阻抗計(jì)算原理

根據(jù)歐姆定律,負(fù)載阻抗是電壓電流的比值,本裝置通過高精度鉗型電流表鉗測(cè)出二次負(fù)載電流Ia、Ib、Ic,用高精度電壓采集模塊測(cè)出電流互感器輸出端二次電壓Ua、Ub、Uc,通過歐姆定律計(jì)算出電流互感器二次負(fù)載阻抗為

Ra=Ua/Ia

Rb=Ub/Ib

(4)

Rc=Uc/Ic

正常情況下,保護(hù)三相電流互感器負(fù)載應(yīng)基本平衡[11],并滿足電流互感器二次額定負(fù)載要求,如果相差過大,將實(shí)測(cè)到的二次負(fù)載與投產(chǎn)時(shí)的二次負(fù)載進(jìn)行比對(duì),能較快地發(fā)現(xiàn)回路中是否存在負(fù)載過大的問題,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)電流回路隱性缺陷。

4.2 裝置軟件判別流程

裝置檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)思路如圖8所示。裝置接通電源后,首先進(jìn)行初始化,之后用鉗型電流表采集回路電流,電壓采集模塊采集電壓,裝置自動(dòng)計(jì)算回路阻抗值,及每一相阻抗值的相對(duì)誤差。當(dāng)三相阻抗值基本相同,相對(duì)誤差在5%以內(nèi),且和正常時(shí)數(shù)據(jù)(大約0.3～0.4 Ω)相差在0.5 Ω以內(nèi)時(shí),裝置判斷電流二次回路正常。若三相負(fù)載阻抗值其中一相相對(duì)誤差較大,超過5%以上,則判定該相二次回路存在隱性缺陷。若三相阻抗值基本相等,但與正常時(shí)數(shù)據(jù)(大約0.3～0.4 Ω)相比誤差超過0.5 Ω,則判定N相二次回路存在虛接的隱性缺陷。

圖8 校驗(yàn)功能軟件流程。

5 裝置測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的電流回路隱性缺陷在線檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)出電流回路中的隱性缺陷,裝置實(shí)物如圖9所示,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裝置的上述功能進(jìn)行測(cè)試。

圖9 裝置實(shí)物。

5.1 交流端子中間連片出現(xiàn)裂痕隱性缺陷

2022年11月,二次運(yùn)檢人員在某110 kV變電站進(jìn)行二次設(shè)備巡視紅外測(cè)溫時(shí),發(fā)現(xiàn)變壓器高壓側(cè)101間隔C相中間連片發(fā)熱,屬于緊急缺陷,之后為進(jìn)一步確認(rèn)回路隱性缺陷,應(yīng)用所研發(fā)裝置進(jìn)行回路二次負(fù)載值測(cè)量。

從表1中可以看出,變壓器高壓側(cè)101間隔正常時(shí)三相二次負(fù)載值基本平衡,均為0.3 Ω,從本次二次負(fù)載阻抗在線實(shí)測(cè)值來看,C相二次負(fù)載阻抗相對(duì)誤差在5%以上,判斷為不合格,確認(rèn)C相電流回路存在中間連接片接觸不良的缺陷。申請(qǐng)停電后,檢查C相交流端子中間連片已變形,有斷裂的趨勢(shì),更換該交流端子恢復(fù)送電后,復(fù)測(cè)電流互感器回路二次負(fù)載阻抗值,復(fù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1 變壓器101間隔電流回路二次負(fù)載在線實(shí)測(cè)值

表2 變壓器101間隔電流回路二次負(fù)載在線復(fù)測(cè)值

從表2可以看出,更換交流端子后,復(fù)測(cè)二次回路負(fù)載阻抗值,與正常時(shí)基本一致,回路隱性缺陷消除。

5.2 電流N線虛接隱性缺陷

2021年6月,二次運(yùn)檢人員在某110 kV變電站進(jìn)行二次測(cè)溫巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)110 kV某線N411存在隱患發(fā)熱點(diǎn),環(huán)境溫度23 ℃,該點(diǎn)溫度顯示63 ℃,明顯存在發(fā)熱點(diǎn),為進(jìn)一步確認(rèn)該隱性故障,二次運(yùn)檢人員利用電流回路隱性缺陷在線檢測(cè)裝置實(shí)測(cè)N411電流回路二次負(fù)載值,如表3所示。

表3 某線路電流回路二次負(fù)載在線實(shí)測(cè)值

該變電站110 kV某線N411電流回路正常時(shí)二次負(fù)載檢測(cè)數(shù)值三相均為0.4 Ω左右,本次檢測(cè)三相負(fù)載阻抗值均超過正常數(shù)據(jù)0.5 Ω以上,并且三相基本平衡,因此判定是N411電流回路虛接,進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)N411電流回路接線端子處螺絲松動(dòng),緊固后發(fā)熱點(diǎn)消失,用裝置復(fù)測(cè)電流回路二次負(fù)載阻抗值,復(fù)測(cè)值如表4所示。

表4 某線路電流回路二次負(fù)載在線復(fù)測(cè)值

從表4可以看出,復(fù)測(cè)值與正常二次負(fù)載值基本一致,電流回路恢復(fù)正常運(yùn)行。

上述兩個(gè)案例中,應(yīng)用本文所設(shè)計(jì)裝置在10 min內(nèi)便可快速有效地識(shí)別出電流二次回路的隱性缺陷,相比較傳統(tǒng)的檢測(cè)方法,在效率及準(zhǔn)確性上得到了大幅提升。

6 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)電流回路存在虛接、連片裂痕等隱性故障時(shí),常規(guī)檢測(cè)方法很難對(duì)回路隱性故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,并且紅外測(cè)溫方法無法對(duì)回路缺陷進(jìn)行定量分析。為解決上述問題,基于“回路阻抗測(cè)量原理”,設(shè)計(jì)了一種電流回路隱性缺陷在線檢測(cè)裝置?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該裝置表明,裝置可實(shí)現(xiàn)電流回路隱性故障的在線檢測(cè),輔助二次檢修人員進(jìn)行回路隱性缺陷的快速判斷和消除。該裝置在現(xiàn)場(chǎng)部署應(yīng)用,可減輕二次檢修人員的工作強(qiáng)度,提高二次設(shè)備運(yùn)行的可靠性。該裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好,具備在全國(guó)電力行業(yè)推廣應(yīng)用的價(jià)值。