線路電子式互感器漸變性故障診斷方法

王尉軍， 殷 慧

(中國南方電網(wǎng)貴陽供電局，貴州 貴陽 550002)

0 引言

隨著貴州數(shù)字化變電站的逐步推廣，電子式互感器以其結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、體積小、動態(tài)范圍大和不存在磁飽等優(yōu)點，在改造站或新建站中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。電子式互感器作為繼電保護和自動化裝置電流電壓的測量元件，其可靠穩(wěn)定運行尤為重要[5-7]。

由于戶外型電子式互感器長期運行在高溫及強電磁干擾的復(fù)雜環(huán)境中，使其光電器件的特性及傳感單元中部分元件的性能劣化，引發(fā)互感器出現(xiàn)故障，導致輸出信號異常[8-10]。電子式互感器的故障類型通常按照故障程度可以分為突變性故障和漸變性故障2類[11]，其中漸變性故障又包括2類：漂移偏差故障和變比偏差故障。目前，國內(nèi)外對電子式互感器2類故障診斷研究還較少，文獻[12]提出了基于小波的電子式互感器突變性故障診斷方法，而對于電子式互感器發(fā)生漸變性故障的研究，目前只有少數(shù)學者對其故障診斷做過探索[13]，需要更多的學者結(jié)合實際進行廣泛的研究。

線路光纖差動保護裝置采集雙端A、B、C三相電流、線路A相電壓和母線A、B、C三相電壓，這給電子式互感器故障診斷提供了數(shù)據(jù)參考量。因此，文中從元件物理溫度特性出發(fā)，構(gòu)建電子式互感器電流電壓漂移偏差故障和變比偏差故障數(shù)學模型。針對線路電子式電流互感器，根據(jù)雙端線路在數(shù)字化建設(shè)和改造過程中雙端互感器類型不同，分成2種情況：一種雙端分別為電磁式互感器與電子式互感器；另一種兩側(cè)均為電子式互感器。利用光纖差動保護采集的雙端6個電流量，根據(jù)雙端互感器類型不同，分別建立電子式電流互感器漸變性故障診斷判據(jù)，將雙端保護裝置輸出電流進行縱向及橫向比較分析，能夠快速查找出故障互感器。針對電子式電壓互感器，根據(jù)本端保護裝置采集的4個電壓量，建立電子式電壓互感器漸變性故障診斷判據(jù)，將本端保護裝置輸出的4個電壓量進行橫向比較分析，即可確定出現(xiàn)故障的線路或母線電壓互感器。該方法無需增加另外的硬件設(shè)備，充分利用現(xiàn)有的保護裝置，實現(xiàn)電子式互感器故障的在線診斷，通過仿真驗證了該方法的有效性。

1 電子式互感器漸變性故障數(shù)學模型

1.1 漂移偏差故障

電子式互感器的傳感器易受光強度或溫度的影響，導致內(nèi)部磁光材料性能變差使測量值隨時間發(fā)生線性變化的故障，定義為漂移偏差故障[14-15]，其表示形式為：

ft=b(t-ts)

(1)

式中：b為常數(shù)；ts為故障的起始時刻；t為故障發(fā)生后的任意一時刻。由此可以看出，漂移偏差故障采樣值表現(xiàn)為一個逐漸增加的變化量，與正常電流、電壓的偏差有效值表現(xiàn)形式同采樣值一樣。

1.2 變比偏差故障

ft=kAsin(ωt+φ)

(2)

式中：k為常數(shù)；A為實際值幅值；t為采樣時刻；ω為實際值角頻率；φ為實際值初始相位。由此可以看出，變比偏差故障采樣值表現(xiàn)為與正常電流、電壓同頻率的正弦波，與正常電流、電壓的偏差有效值表現(xiàn)為一個常量。

在正常情況下，測量值只能無限逼近一次側(cè)真實值，始終存在一定的偏差，這種偏差由兩部分組成：一部分是自由噪聲，主要由傳感器內(nèi)部的1/f噪聲和熱噪聲及外部噪聲組成[17-18]；另一部分是系統(tǒng)偏差，是由測量設(shè)備的精確度來決定的。保護裝置內(nèi)部已經(jīng)對自由噪聲和系統(tǒng)偏差進行了處理，因此只需考慮漂移偏差故障和變比偏差故障，電子式互感器故障數(shù)學模型表示如下：

It=Isin(ωt+φ)+ft

(3)

Ut=Usin(ωt+φ)+ft

(4)

式中：It，Ut分別為電流、電壓測量值；I，U分別為電流、電壓實際值幅值；ft為漸變性故障偏差。對于漂移偏差和變比偏差故障，分別對應(yīng)式(1)或(2)的函數(shù)形式。

2 線路電子式互感器漸變性故障診斷原理

對于線路電子式互感器漸變性故障，假設(shè)：(1) 不會有2個以上互感器同時發(fā)生故障；(2) 電網(wǎng)運行正常，未發(fā)生一次系統(tǒng)故障或擾動；(3) 電流電壓三相平衡。

2.1 電子式電流互感器診斷判據(jù)

在改造或新建的雙端線路中，都具有光纖差動保護功能，文中以線路光纖差動保護通道作為雙端交換電流信息的通道，保護裝置輸出的雙端A、B、C相6個電流信息量作為電子式電流互感器漸變性故障診斷判據(jù)的數(shù)據(jù)參考量。

在變電站數(shù)字化建設(shè)和改造中，會出現(xiàn)雙端線路一端是常規(guī)電磁式電流互感器，對端是電子式電流互感器的情況。因此，文中根據(jù)線路雙端互感器的類型不同，將電子式電流互感器漸變性故障診斷判據(jù)分為2種。

砷的污染是由于自然釋放和人類活動造成的，土壤中的砷含量過高，會引起植物吸收過量的砷而受損害，人體接觸或服用過量的砷也可發(fā)生砷急、慢性中毒[19]。

2.1.1 雙端分別為電磁式電流互感器與電子式電流互感器

現(xiàn)場運行證明，電磁式電流互感器在精度和穩(wěn)定性方面已經(jīng)完全滿足電網(wǎng)要求，因此，此類診斷判據(jù)以電磁式電流互感器保護輸出電流為基準，將兩端電流互感器保護輸出的同相電流進行縱向比較，若兩者電流之差大于閾值，則認定電子式電流互感器存在漸變性故障。

假定線路本端為電子式電流互感器，保護輸出的三相電流二次值分別為Ia1，Ib1，Ic1，對端為電磁式電流互感器，保護輸出的三相電流二次值分別為Ia2，Ib2，Ic2，則診斷判據(jù)用公式表示為：

|Ii1-Ii2|>ΔI縱向比較

(5)

t>Tzd

(6)

式中：i取值為a，b，c；Ii1為線路本端保護輸出的某相電流二次值；Ii2為線路對端保護輸出的同相電流二次值；ΔI為閾值，不能大于該線路差動保護啟動定值，根據(jù)現(xiàn)場情況進行設(shè)定；Tzd為整定時間。

當同時滿足式(5)、(6)時，則認定該相電子式電流互感器發(fā)生漸變性故障。

2.1.2 雙端均為電子式電流互感器

將兩端電子式電流互感器保護輸出的同相電流進行縱向比較，若兩者電流之差大于閾值，則認定該相電子式互感器存在漸變性故障，然后分別在再將該相電流與其他兩相電流進行橫向比較，超過設(shè)定閾值的互感器則為故障互感器。診斷判據(jù)用公式表示為：

|Ii1-Ii2|>ΔI縱向比較

(7)

|Ii1-Ij1|>ΔI橫向比較

(8)

t>Tzd

(9)

式中：i，j取值為a，b，c，i≠j；Ij1為線路本端不同于Ii1的其他相電流二次值。

當同時滿足式(7)、(8)、(9)時，則認定該相電子式電流互感器發(fā)生漸變性故障。

2.2 電子式電壓互感器診斷判據(jù)

線路保護裝置采集線路A相電壓和母線A、B、C三相電壓共有4個電壓信息量，具備診斷2個電子式電壓互感器同時發(fā)生故障情況的條件。另外，對端電壓由于線路電壓降的原因，對于本端電壓互感器診斷已經(jīng)沒有參考意義，故電子式電壓互感器漸變性故障診斷無需對端電壓量。

因此，此類診斷判據(jù)將保護裝置輸出的線路A相電壓與母線A相電壓進行比較，若兩者電壓之差大于閾值，則認定線路A相或母線A相電子式電壓互感器存在漸變性故障，然后分別與母線的其他兩相進行比較，超過設(shè)定閾值的互感器則為故障互感器。

同理，當將保護裝置輸出的母線B相與母線A相電壓進行比較出現(xiàn)異常，則認定母線B相或母線A相電子式電壓互感器存在漸變性故障，在分別與線路A相電壓、C相電壓進行比較，即可確定故障互感器。診斷判據(jù)用公式表示為：

|Ula1-Ui1|>ΔU橫向比較

(10)

|Ui1-Uj1|>ΔU橫向比較

(11)

t>Tzd

(12)

式中：Ula1為本端保護輸出線路A相電壓二次值；Ui1為線路本端保護輸出某相電壓二次值；Uj1為線路本端不同于Ui1的其他相電壓二次值；ΔU為閾值，根據(jù)同期壓差定值進行設(shè)定，可設(shè)定為5.77 V。

當同時滿足式(10)、(12)時，則認定線路A相電子式電壓互感器發(fā)生漸變性故障；當母線某相滿足(11)、(12)時，再判定是否滿足(10)式，如滿足，則認定母線該相電子式電壓互感器出現(xiàn)漸變性故障。

從2.1、2.2可以看出，判據(jù)中的電流、電壓均為保護裝置輸出的有效值，無論是漂移偏差故障還是變比偏差故障，都可通過各自診斷判據(jù)來確定故障互感器。另外，可通過2種故障的偏差有效值的表現(xiàn)形式來確定是漂移偏差故障還是變比偏差故障：當故障相與對端同相或同端其他相的偏差有效值表現(xiàn)為逐漸增加的變化量時，可以確定發(fā)生漂移偏差故障；當故障相與對端同相或同端其他相的偏差有效值表現(xiàn)為一個常量時，可以確定發(fā)生變比偏差故障。

3 仿真分析

文中針對某220 kV雙端線路，雙端均為電子式互感器，采用光纖差動保護，分別對電流互感器發(fā)生漂移偏差故障和電壓互感器發(fā)生變比偏差故障進行仿真。設(shè)It=240sinωtA，Ut=127sinωtkV，漂移偏差故障模型：ft=0.4(t-ts)，變比偏差故障模型：ft=23sin(ωt+φ)，CT變比為1200/5，電壓二次額定值為57.74 V；假設(shè)該線路差動保護啟動定值為0.5 A，因此，可設(shè)定ΔI=0.1 A，ΔU=5.77 V，Tzd=0.04 s，采樣周期為0.02 s，每個周期采樣24點。用Matlab進行仿真如圖1，2所示。

圖1 漂移偏差故障波形Fig.1 Waveform of drift bias fault

圖2 變比偏差故障波形Fig.2 Waveform of transformer bias fault

為了更加清晰地分析故障結(jié)果，將仿真圖1中電流采樣值換算成保護裝置輸出的有效值，取其中的4個極大值點進行換算，結(jié)果如表1所示。

表1 保護裝置電流有效值Tab. 1 Current effective value of protection

將表1中電流有效值根據(jù)電子式電流互感器故障診斷判據(jù)(7)、(8)進行偏差有效值計算對比，結(jié)果如表2所示。

表2 漂移偏差故障仿真結(jié)果對比表Tab. 2 A comparison table of the simulation results for drift bias fault

從表2可以看出，當本端A相電流與對端A相電流進行縱向比較大于ΔI時，無法確定是本端A相還是對端A相電子式電流互感器發(fā)生漂移偏差故障，再通過與本端B、C相電流進行橫向比較，結(jié)果同樣大于ΔI，時間滿足式(9)，且故障相與其他相差流表現(xiàn)為逐漸增大，能夠快速地確定是本端A相電子式電流互感器出現(xiàn)漂移偏差故障。

同理可得電子式電壓互感器保護裝置輸出有效值，如表3所示。

表3 保護裝置電壓有效值Tab. 3 Voltage effective value of protection

將表3中電壓有效值根據(jù)電子式電流互感器故障診斷判據(jù)(10)、(11)進行偏差有效值計算對比，如表4所示。

表4 變比偏差故障仿真結(jié)果對比表

從表4可以看出，當母線A相電壓與線路A相電壓進行比較大于ΔU時，可判斷其中之一發(fā)生故障，再與母線B、C兩相進行橫向比較，結(jié)果同樣大于ΔU，時間滿足式(12)，且故障相與其他相差值可視為常量，即可確定A相母線電壓互感器出現(xiàn)變比偏差故障。

4 結(jié)語

線路光纖差動保護裝置采集的雙端6個電流量及本端4個電壓量為電流電壓分析比較提供了便利條件，文中針對線路電子式互感器，構(gòu)建電流電壓漂移偏差故障和變比偏差故障數(shù)學模型，建立電子式互感器漸變性故障診斷判據(jù)。利用線路光纖差動保護裝置采集的電流電壓量，將保護裝置輸出電流電壓值進行縱向及橫向比較分析實現(xiàn)電子式互感器漸變性故障在線診斷。仿真結(jié)果表明，該方法不受網(wǎng)絡(luò)運行方式變化的影響，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，可在電子式互感器不停電的條件下，實現(xiàn)在線監(jiān)測和故障診斷。

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