电流互感器二次回路检测方法简析

顾建军

摘要:文章论述了电流互感器二次回路的正确、安全运行对电力系统的稳定可靠运行的重要意义。二次回路故障检测主要有绝缘检查法、直流检测法、交流法检测、一次通流法等方法。电流二次回路的各项检测方式在面对不同阶段类型保护及自动化装置的电流二次回路所体现出来的特点,可进行有机组合,从而对电流二次回路起到良好的检测效果。

关健词:电流二次回路;检测方法;继电保护;有机组合

中图分类号:TM452文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0049-04

电流互感器是电力系统中反映电流参量的重要电气设备,主要作用是将一次系统大电流变换为二次系统小电流(5A或1A),供测量、保护等回路装置取用,及时准确的反映一次系统运行状况,便于运行部门对电力系统的保护、控制与监测。电流互感器可以使二次侧所接仪表、装置与一次电气设备安全隔离,一、二次间只保持磁联系,而无电联系,避免了一次侧高压直接进入电流二次回路,引发人身、设备事故;此外,还可防止二次系统故障影响到一次系统,确保系统设备运行安全。

由此可见,电流互感器二次回路的正确、安全运行对电力系统的稳定可靠运行有着重要意义,在现场施工安装中应给予充分保证。

一、检测方法简要介绍

电流互感器二次回路故障主要存在以下几点:

首先,对地绝缘损坏或两点接地:此种情况下,互感器二次回路通过大地产生分流现象,一次系统潮流电流将不能准确通过二次回路反映出来,二次回路中装置设备将无法正确反映一次系统运行状态,有可能引起二次装置产生误测、拒动、误动等现象,影响电力系统的安全稳定运行。

其次,回路断线:此种情况下,二次装置将采集不到断线相电流量,回路公共端会产生不平衡电流,将会引起装置误动;同时,还会使断点处产生高感抗电压,影响人与设备的安全。

再次,相别、极性错误:此种情况下,一次系统潮流方向状态将无法在二次回路中得到正确反映,将会引起测量、计量装置错误偏转,保护装置误动、拒动,影响电力系统的安全稳定运行。

第四,计量、测量、保护用电流互感器二次绕组组别接线错误:此种情况下,在电力系统内出现短路故障时,电流二次回路的伏安参数特性将无法满足保护装置要求的精确度,会引起保护装置误动或拒动。

结合现场工作经验, 对于以上二次回路故障检测主要归纳为绝缘检查、直流检测法、交流检测法、一次通流法等方法,以下将对这几种检测方法的运用进行进一步详细介绍。

(一)绝缘检查

将被检测电流回路公共端接地点断开,用规定电压等级绝缘摇表L端分别搭接所测回路的A、B、C三相及公共端N、E端接地,通过摇表所测数据检测整个回路绝缘性。此种方法对检查回路绝缘效果显著,这也是检查电流回路是否一点接地的唯一有效方法,在所有电流回路特性检测方法中具有不可替代的重要性。但是,此检测方法同时也存在明显的局限性,它无法清晰的查出电流二次回路中可能存在的其他缺陷。

(二)直流检测法

直流检测法又分为欧姆表电阻对线法、电桥回路电阻测试法和互感器极性检测试验法三种。

1.欧姆表电阻对线法。由于户外设备与测量仪表、继电保护装置和自动化装置的联接需要,电流互感器二次回路的贯通很少由一根电缆独立完成,而是由数根电缆依据设备装置原理通过一定次序连接构成。互感器二次接线柱头、中间端子箱、控制屏(保护屏)、计量屏(遥测屏)按照原理实现的要求依次被电缆和转接端子有机联接在一起。

用欧姆表电阻对线法检测回路时,由于整个电流二次回路在直流源下呈现低阻抗现象,当回路所有电缆芯线与设备装置构成通路时,将无法通过干电池为工作电源的万用表的电阻档准确检测回路接线的正确性;因此,必须将电流二次回路中联接电缆所有的转接点断开,使电缆芯线有序分离,这样才能使三相回路中各电缆芯线不会互相影响,保证检测时回路的单一性,从而确保检测结果的正确。

断开回路中各转接点后,将万用表打到电阻档,其输出端一端搭接被检芯线一头,另一端可靠接地,被检芯线另一头也接地,若此时表针偏转指向接近于零的低阻值则表明芯线两端对应,联接正确;反之,则表明芯线两端不对应或存在断点,需立即检查、更正。以此方式依次检查回路中所有电缆芯线,直至检测结果全部正确。

此方法能有效确保回路接线的正确性,但实际操作上工作流程比较繁琐,此外也无法检测出回路绝缘性能,无论从操作过程还是检测效率上来看都不经济,仅在二次接线施工中核对芯线或现场缺乏其他检测设备时使用。

2.电桥回路电阻测试法。在户外端子箱将电流二次回路联接端子断开,保证互感器侧与二次设备侧二次回路可靠分离,利用电桥分别对两侧回路进行单相及相间的直流电阻测量,所测数据如果正确应符合以下特征:(1)对于互感器侧,保护级二次绕组直流电阻值应大于计量级、测量级二次绕组直流电阻值;(2)对于二次设备侧,回路中包含设备越多,其直流电阻值越大;二次回路越长,其直流电阻值也越大;(3)无论是互感器侧,还是保护、计量、测量及自动化装置侧,在回路联接元器件一致的前提条件下,各单相和相间直流电阻值应该三相平衡;(4)回路直流电阻值应呈现低阻值特征。

电桥回路电阻测试法可简洁的判断出二次回路的贯通性是否良好;还能较为明显的分辨出互感器二次绕组的组别特性,是一种行之有效的回路检测方法。

3.互感器极性检测试验法。以一次母线作为基准,将干电池的正极搭接电流互感器一次桩头的极性端,负极搭接电流互感器一次桩头的非极性端。将电流互感器二次回路终端的装置与回路在端子排上断开,在断开点串入一个指针式直流微安表,微安表正极与二次电流回路极性端相连,微安表负极与二次电流回路非极性端相连。

依据电流互感器A、B、C相别在一次侧用干电池正极与互感器一次的极性端分别进行通断拉合试验,在二次侧按相别观察微安表指针偏转状况。根据所观察的指针偏转状况可明确判断出被检测电流回路的一、二次极性关系和贯通性是否良好。

(三)交流检测法

交流检测法的理论基础为互感器二次线圈在交流回路中呈现高抗值(L1),而二次回路电阻则呈现低阻值(R1)。从方式上可分为电流法、电压法与伏安特性法。

1.电流法。根据升流地点的不同,可分为始端法、终端法两种。(1)始端法。1)将互感器二次接线柱头电缆芯线解除,电流源输出线一端接所测回路原极性端(K1)所联芯线,另一端接公共端(K2)所联芯线。调节电流至一稳定值(通常为二次额定工作值5A/1A),监视回路中串联电流表与并联电压表数值指示,检查相应二次回路装置工作状态及数值显示。如果在一个低值电压下电流量能顺利上升至稳定值且二次装置工作状态正常,那么证明回路贯通性良好,接线正确;反之,则表明所查回路存有缺陷,需及时处理。按此方式依次检查互感器三相电流回路,确定其接线正确性和回路贯通性。2)电流源输出线两端跨接于互感器二次接线柱头相间(AB、BC、CA)极性端(K1)所联芯线,将电流上升至稳定值,用钳形表在终端监视所测回路中电流量(如自动化装置与保护装置自身带有测量功能,可直接观察其中的实际读数),从而确定回路极性接线正确性。例如,检测AB相:电流源输出线两端跨接AB极性端(K1)所联芯线,电流上升至稳定值,用钳形表在终端监视相应回路电流量,由电流回路构成原理可迅速得出结论,如果AB相极性接线正确,钳形表在终端只能从被测两相极性端进线中测出电流量,而C相进线与公共端N线回路应无电流量。依次检测BC、CA相间,从而保证互感器二次回路三相极性接线一致无误。注:互感器二次线圈在交流回路中呈现高抗值L1?垌R1,且在检测过程中线圈始终与被检回路处于并联状态,因此其分流作用很小,对检测结果影响不大。在保证二次线圈完好的前提下,有时也可以不解除互感器二次接线柱头电缆芯线,直接进行检测工作。(2)终端法。在互感器二次回路终端断开回路联接端子,二次回路接地点可靠解除,电流源输出线一端接极性端进线侧,另一端可靠接地,在互感器二次回路始端依次将被检回路极性端(K1)与公共端(K2)接地,使整个被检回路通过大地构成环路,然后按一定要求调升电流,并在回路中串入电流表,并入电压表,用以监视回路电压量、电流量变化情况。当接地点在极性端(K1)侧时,互感器二次线圈未包含在被检回路中,因为二次回路交流电阻值(R1)很低(一般为几欧姆),整个被检环路呈现低阻抗状态,所以回路电流将在较低回路电压值下上升至稳定值;当接地点在公共端(K2)侧时,互感器二次线圈包含在被检回路中,因为互感器二次线圈交流电抗值很高(L1?垌R1),整个被检环路将呈现高阻抗状态,所以回路电流将会在较高回路电压值下升至稳定值。接地点不同,电压幅值的变化非常明显。如检测结果与上述现象一致,则表明被检回路贯通性良好,相别、极性正确。依次检测A、B、C三相,确保整个回路正确性。由上可知,两种电流检测方式虽然目的一致,但是在具体实施的过程中有着区别,各有优点和不足。始端法从互感器二次回路起始点对回路通入额定工作电流,既检查了回路接线的正确性,又顺带一次性检查了此回路所接仪表、继电器等二次装置额定工作状态,工作效率相对较高。但始端法工作地点通常在一次电气设备间隔中(一般在户外,离控制室较远),检测试验平台搭装不方便,容易受到天气因素影响。终端法工作地点主要在控制室内,检测试验平台搭装方便,不受天气因素影响;但由于受检测点局限,互感器二次回路终端装置检查不到,需要另行通电进行检查。

2.电压法。电压法理论基础与电流法一致,但是在装置上要求最为简便,所需工作人员最少。

此种方法的检测装置通常自制:将交流信号灯、分压限流电阻、试验线和试验夹可靠串联,形成试验回路检测装置。以交流信号灯电流参数I灯为基础,以220V交流电压U工作为工作电压,装置中限流分压电阻R限数值取自分式:

R_限= U_工作/ I_灯

上式中参数特性必须满足检测设备所需标准工作条件。

检测时,在互感器二次回路终端端子箱断开回路联接端子,二次回路接地点可靠解除,将检测装置一端接需检测回路芯线,另一端接所需220V工作电压源火线L,在互感器二次回路始端依次将被检回路极性端(K1)与非极性端(K2)接地,此时装置和被检回路将跨接于火线、地线之间,整个回路被施加上220V工作电压,交流信号灯灯光将会根据接地点的不同产生明显变化。

当在极性端(K1)侧接地时,互感器二次线圈未包含在被检回路中,由前可知,整个回路呈现低阻抗值,如回路正确,则交流信号灯发出明亮光芒;当在公共端(K2)侧接地时,互感器二次线圈包含在被检回路中,由前可知,整个回路呈现高阻抗值,如回路正确,则交流信号灯仅发出微弱光芒。以此方式依次检测所有回路芯线,从而保证电流互感器本体桩头二次回路接线正确。

注:电压法虽然简单、便捷,但是被检回路中通有220V强电,必须特别注意安全。始端和终端两侧工作人员要随时借助通讯设备保持联系,确认对方所处工作状态,在确定被检回路220V强电已经切除的前提下,才能更换接地点,以防发生安全事故。

3.伏安特性法。在电流二次回路户外始端端子箱将回路联接端子断开,保证互感器侧二次回路与保护及自动化装置侧二次回路可靠分离;互感器侧二次回路接地点可靠解除。将伏安特性试验装置在现场布置妥当,接通试验电源,针对需要检测间隔的电流互感器,依次进行各绕组的伏安特性测试。通过测试出来的电流、电压数据可以很直观的判别出各二次绕组的组别特性,结合对应间隔原理图标注的各个电流二次回路所定义的绕组,可准确核对出计量、测量、保护用电流互感器二次绕组组别接线是否正确。

(四)一次通流法

以上绝缘检查、直流法、交流法等几种方式都仅仅单独针对互感器二次的电气联接回路,无法将电流互感器一次和二次的磁传变特性有机联系起来;如需同时检测一次与二次之间磁传变特性是否正确,一次通流法是最行之有效的。根据其操作方式可分为短路接地法和一次直升法。

1.短路接地法。此方法应用的前提,是被检测回路所对应一次系统必须包含依靠磁联系进行一次之间能量传递的设备——变压器,而在单纯依靠电联系传递能量的系统中是不适用的,会使检测用电源发生直接短路故障,引发安全事故。取一380V稳定电源直接加入变压器一次系统一侧的三相导电回路中,在变压器其他侧将其一次系统三相短路接地;在380V稳定电源——变压器——接地线——大地之间形成回路,此时将会在一次系统产生一较大值短路电流(但远小于一次系统工作电流),在这一回路包含范围内的所有电流互感器一次侧都会流过这一电流,其二次侧也会按本身工作变比感应出一小电流值,用高精度相位表和钳形表可以迅速、方便的检测出二次回路中三相电流值的大小、方向、角度,从而印证出所需检测回路的正确性。

2.一次直升法。将大容量升流装置两端输出线直接接在所需检测电流互感器一次柱头两侧,调节升流装置升入大电流(通常为一次额定工作电流),用钳形表观察其二次回路电流量反应,依靠电流互感器二次回路的基本理论特性判断出回路是否正确。短路接地法与一次直升法相比,各自优缺点都很明显。

短路接地法灵活、高效,还可依据需要模拟出不同情况的一次潮流运行状态,并通过二次侧电流的反应检验出二次回路与一次系统在实际运行中的关系,实用性最强,多适用于检测大规模新建系统;但此法一次系统电流幅值上升有限,无法检测出电流互感器在一次额定工作电流下其二次回路的工作状态。一次直升法正好相反,此法可通过一次系统升入大电流检测一次额定工作电流下二次回路的工作状态,但无法实现各种带变压器组的一次系统的潮流运行状态模拟,不具备检测主变差动电流回路正确性的功能。

二、检测方法实际应用简要分析

下面,将就目前电力系统继电保护的发展现状结合具体工程应用对以上检测方法进行一定程度的适用性简要分析。

(一)各检测方法汇总表

(二)电力系统继电保护的发展现状介绍

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力,因此,继电保护技术得天独厚,在40余年的时间里完成了4个历史阶段的发展,现在正朝着第5阶段的方向发展。

1.第一阶段。建国后,我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有,在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代,为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。

2.第二阶段。自50年代末,晶体管继电保护已开始研究。60年代中期到80年代是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护,运行于葛洲坝500kV线路上,结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。

3.第三阶段。从70年代中,基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末,集成电路保护已形成完整系列,逐渐取代晶体管保护。到90年代初,集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位,这是集成电路保护时代。

4.第四阶段。我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究,高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色,为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究,在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

5.发展中的第五阶段。继电保护技术向计算机化,网络化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展是未来的趋势。当然,进入了微机保护的时代并不等于其他几个发展阶段的继电保护装置就已经在电力系统完全消失,由于电力系统继电保护配置上的特殊性,其他三阶段的产品到目前为止还在系统中有大量的存在,因此对各阶段保护及自动化装置其二次电流回路检测手段的科学实用型分析是非常必要的。

(三)检测方法应用简要分析

前面介绍的电流二次回路的各项检测方式在面对不同阶段类型保护及自动化装置的电流二次回路所体现出来的特点,可进行有机组合,从而对电流二次回路起到良好的检测效果,在充分保证电流回路检测准确的同时又可提高现场工作效率。

1.第一阶段的电磁式继电器。传统的电磁式保护,其原理构成需一组电磁式继电器联结组成。因此,在其电流二次回路中继电器的互相联结点较多,但继电器工作无须工作电源,就回路特点,在工程施工及检测时应以下面几种方式配合为宜:(1)绝缘检查;(2)互感器极性检测试验法;(3)交流电流法;(4)伏安特性法;(5)一次直升法。

2.第二阶段晶体管保护装置。晶体管保护在功能集成方面 比传统的电磁式保护有很大提高,电流二次回路联结点明显减少,但装置需通入工作电源才能正常体现其工作性能,就回路特点,在工程施工及检测时应以下面几种方式配合为宜:(1)绝缘检查;(2)欧姆表电阻对线法;(3)电桥回路电阻测试法;(4)互感器极性检测试验法;(5)伏安特性法;(6)一次直升法。

3.第三阶段集成电路保护装置。集成电路保护在功能集成及精确度方面比晶体管保护更高,同时,在有直流工作电源提供时,其数码显示屏会显示装置电流回路的实际数值,就回路特点,在工程施工及检测时应以下面几种方式配合为宜:(1)绝缘检查;(2)电桥回路电阻测试法;(3)交流电压法;(4)伏安特性法;(5)交流电流法;(6)短路接地法。

4.第四阶段微机保护装置。微机保护在功能集成、抗干扰和精确度方面比以上三种形式的继电保护装置都好,同时,在有直流工作电源提供时,其液晶显示屏会显示装置电流回路的实际数值和角度,电流差动装置还会显示装置的实际差流,就回路特点,在工程施工及检测时应以下面几种方式配合为宜:(1)绝缘检查;(2)电桥回路电阻测试法;(3)交流电流法;(4)伏安特性法;(5)一次直升法;(6)短路接地法。

5.第五阶段的保护正在发展阶段,在工程实际应用中还缺乏成熟性,其检测手段的合理性、科学性也正处于探索阶段。

综上所述,对电流互感器二次回路检测的手段虽然多种多样,但万变不离其宗,所有的方法都是围绕着其基本工作原理特性以及与保护、自动化装置的配合原理衍生而成。技术工作人员在具体检测过程中可依据现场不同检测对象和环境条件灵活运用各种方法,高效保质的完成检测工作任务。

参考文献

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[2]国家电力调度通讯中心.电力系统继电保护典型故障分析[M].中国电力出版社,2003.

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