线路电子式互感器渐变性故障诊断方法

王尉军， 殷 慧

(中国南方电网贵阳供电局，贵州 贵阳 550002)

0 引言

随着贵州数字化变电站的逐步推广，电子式互感器以其结构紧凑、精度高、体积小、动态范围大和不存在磁饱等优点，在改造站或新建站中得到广泛应用[1-4]。电子式互感器作为继电保护和自动化装置电流电压的测量元件，其可靠稳定运行尤为重要[5-7]。

由于户外型电子式互感器长期运行在高温及强电磁干扰的复杂环境中，使其光电器件的特性及传感单元中部分元件的性能劣化，引发互感器出现故障，导致输出信号异常[8-10]。电子式互感器的故障类型通常按照故障程度可以分为突变性故障和渐变性故障2类[11]，其中渐变性故障又包括2类：漂移偏差故障和变比偏差故障。目前，国内外对电子式互感器2类故障诊断研究还较少，文献[12]提出了基于小波的电子式互感器突变性故障诊断方法，而对于电子式互感器发生渐变性故障的研究，目前只有少数学者对其故障诊断做过探索[13]，需要更多的学者结合实际进行广泛的研究。

线路光纤差动保护装置采集双端A、B、C三相电流、线路A相电压和母线A、B、C三相电压，这给电子式互感器故障诊断提供了数据参考量。因此，文中从元件物理温度特性出发，构建电子式互感器电流电压漂移偏差故障和变比偏差故障数学模型。针对线路电子式电流互感器，根据双端线路在数字化建设和改造过程中双端互感器类型不同，分成2种情况：一种双端分别为电磁式互感器与电子式互感器；另一种两侧均为电子式互感器。利用光纤差动保护采集的双端6个电流量，根据双端互感器类型不同，分别建立电子式电流互感器渐变性故障诊断判据，将双端保护装置输出电流进行纵向及横向比较分析，能够快速查找出故障互感器。针对电子式电压互感器，根据本端保护装置采集的4个电压量，建立电子式电压互感器渐变性故障诊断判据，将本端保护装置输出的4个电压量进行横向比较分析，即可确定出现故障的线路或母线电压互感器。该方法无需增加另外的硬件设备，充分利用现有的保护装置，实现电子式互感器故障的在线诊断，通过仿真验证了该方法的有效性。

1 电子式互感器渐变性故障数学模型

1.1 漂移偏差故障

电子式互感器的传感器易受光强度或温度的影响，导致内部磁光材料性能变差使测量值随时间发生线性变化的故障，定义为漂移偏差故障[14-15]，其表示形式为：

ft=b(t-ts)

(1)

式中：b为常数；ts为故障的起始时刻；t为故障发生后的任意一时刻。由此可以看出，漂移偏差故障采样值表现为一个逐渐增加的变化量，与正常电流、电压的偏差有效值表现形式同采样值一样。

1.2 变比偏差故障

ft=kAsin(ωt+φ)

(2)

式中：k为常数；A为实际值幅值；t为采样时刻；ω为实际值角频率；φ为实际值初始相位。由此可以看出，变比偏差故障采样值表现为与正常电流、电压同频率的正弦波，与正常电流、电压的偏差有效值表现为一个常量。

在正常情况下，测量值只能无限逼近一次侧真实值，始终存在一定的偏差，这种偏差由两部分组成：一部分是自由噪声，主要由传感器内部的1/f噪声和热噪声及外部噪声组成[17-18]；另一部分是系统偏差，是由测量设备的精确度来决定的。保护装置内部已经对自由噪声和系统偏差进行了处理，因此只需考虑漂移偏差故障和变比偏差故障，电子式互感器故障数学模型表示如下：

It=Isin(ωt+φ)+ft

(3)

Ut=Usin(ωt+φ)+ft

(4)

式中：It，Ut分别为电流、电压测量值；I，U分别为电流、电压实际值幅值；ft为渐变性故障偏差。对于漂移偏差和变比偏差故障，分别对应式(1)或(2)的函数形式。

2 线路电子式互感器渐变性故障诊断原理

对于线路电子式互感器渐变性故障，假设：(1) 不会有2个以上互感器同时发生故障；(2) 电网运行正常，未发生一次系统故障或扰动；(3) 电流电压三相平衡。

2.1 电子式电流互感器诊断判据

在改造或新建的双端线路中，都具有光纤差动保护功能，文中以线路光纤差动保护通道作为双端交换电流信息的通道，保护装置输出的双端A、B、C相6个电流信息量作为电子式电流互感器渐变性故障诊断判据的数据参考量。

在变电站数字化建设和改造中，会出现双端线路一端是常规电磁式电流互感器，对端是电子式电流互感器的情况。因此，文中根据线路双端互感器的类型不同，将电子式电流互感器渐变性故障诊断判据分为2种。

砷的污染是由于自然释放和人类活动造成的，土壤中的砷含量过高，会引起植物吸收过量的砷而受损害，人体接触或服用过量的砷也可发生砷急、慢性中毒[19]。

2.1.1 双端分别为电磁式电流互感器与电子式电流互感器

现场运行证明，电磁式电流互感器在精度和稳定性方面已经完全满足电网要求，因此，此类诊断判据以电磁式电流互感器保护输出电流为基准，将两端电流互感器保护输出的同相电流进行纵向比较，若两者电流之差大于阈值，则认定电子式电流互感器存在渐变性故障。

假定线路本端为电子式电流互感器，保护输出的三相电流二次值分别为Ia1，Ib1，Ic1，对端为电磁式电流互感器，保护输出的三相电流二次值分别为Ia2，Ib2，Ic2，则诊断判据用公式表示为：

|Ii1-Ii2|>ΔI纵向比较

(5)

t>Tzd

(6)

式中：i取值为a，b，c；Ii1为线路本端保护输出的某相电流二次值；Ii2为线路对端保护输出的同相电流二次值；ΔI为阈值，不能大于该线路差动保护启动定值，根据现场情况进行设定；Tzd为整定时间。

当同时满足式(5)、(6)时，则认定该相电子式电流互感器发生渐变性故障。

2.1.2 双端均为电子式电流互感器

将两端电子式电流互感器保护输出的同相电流进行纵向比较，若两者电流之差大于阈值，则认定该相电子式互感器存在渐变性故障，然后分别在再将该相电流与其他两相电流进行横向比较，超过设定阈值的互感器则为故障互感器。诊断判据用公式表示为：

|Ii1-Ii2|>ΔI纵向比较

(7)

|Ii1-Ij1|>ΔI横向比较

(8)

t>Tzd

(9)

式中：i，j取值为a，b，c，i≠j；Ij1为线路本端不同于Ii1的其他相电流二次值。

当同时满足式(7)、(8)、(9)时，则认定该相电子式电流互感器发生渐变性故障。

2.2 电子式电压互感器诊断判据

线路保护装置采集线路A相电压和母线A、B、C三相电压共有4个电压信息量，具备诊断2个电子式电压互感器同时发生故障情况的条件。另外，对端电压由于线路电压降的原因，对于本端电压互感器诊断已经没有参考意义，故电子式电压互感器渐变性故障诊断无需对端电压量。

因此，此类诊断判据将保护装置输出的线路A相电压与母线A相电压进行比较，若两者电压之差大于阈值，则认定线路A相或母线A相电子式电压互感器存在渐变性故障，然后分别与母线的其他两相进行比较，超过设定阈值的互感器则为故障互感器。

同理，当将保护装置输出的母线B相与母线A相电压进行比较出现异常，则认定母线B相或母线A相电子式电压互感器存在渐变性故障，在分别与线路A相电压、C相电压进行比较，即可确定故障互感器。诊断判据用公式表示为：

|Ula1-Ui1|>ΔU横向比较

(10)

|Ui1-Uj1|>ΔU横向比较

(11)

t>Tzd

(12)

式中：Ula1为本端保护输出线路A相电压二次值；Ui1为线路本端保护输出某相电压二次值；Uj1为线路本端不同于Ui1的其他相电压二次值；ΔU为阈值，根据同期压差定值进行设定，可设定为5.77 V。

当同时满足式(10)、(12)时，则认定线路A相电子式电压互感器发生渐变性故障；当母线某相满足(11)、(12)时，再判定是否满足(10)式，如满足，则认定母线该相电子式电压互感器出现渐变性故障。

从2.1、2.2可以看出，判据中的电流、电压均为保护装置输出的有效值，无论是漂移偏差故障还是变比偏差故障，都可通过各自诊断判据来确定故障互感器。另外，可通过2种故障的偏差有效值的表现形式来确定是漂移偏差故障还是变比偏差故障：当故障相与对端同相或同端其他相的偏差有效值表现为逐渐增加的变化量时，可以确定发生漂移偏差故障；当故障相与对端同相或同端其他相的偏差有效值表现为一个常量时，可以确定发生变比偏差故障。

3 仿真分析

文中针对某220 kV双端线路，双端均为电子式互感器，采用光纤差动保护，分别对电流互感器发生漂移偏差故障和电压互感器发生变比偏差故障进行仿真。设It=240sinωtA，Ut=127sinωtkV，漂移偏差故障模型：ft=0.4(t-ts)，变比偏差故障模型：ft=23sin(ωt+φ)，CT变比为1200/5，电压二次额定值为57.74 V；假设该线路差动保护启动定值为0.5 A，因此，可设定ΔI=0.1 A，ΔU=5.77 V，Tzd=0.04 s，采样周期为0.02 s，每个周期采样24点。用Matlab进行仿真如图1，2所示。

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

图2 变比偏差故障波形Fig.2 Waveform of transformer bias fault

为了更加清晰地分析故障结果，将仿真图1中电流采样值换算成保护装置输出的有效值，取其中的4个极大值点进行换算，结果如表1所示。

表1 保护装置电流有效值Tab. 1 Current effective value of protection

将表1中电流有效值根据电子式电流互感器故障诊断判据(7)、(8)进行偏差有效值计算对比，结果如表2所示。

表2 漂移偏差故障仿真结果对比表Tab. 2 A comparison table of the simulation results for drift bias fault

从表2可以看出，当本端A相电流与对端A相电流进行纵向比较大于ΔI时，无法确定是本端A相还是对端A相电子式电流互感器发生漂移偏差故障，再通过与本端B、C相电流进行横向比较，结果同样大于ΔI，时间满足式(9)，且故障相与其他相差流表现为逐渐增大，能够快速地确定是本端A相电子式电流互感器出现漂移偏差故障。

同理可得电子式电压互感器保护装置输出有效值，如表3所示。

表3 保护装置电压有效值Tab. 3 Voltage effective value of protection

将表3中电压有效值根据电子式电流互感器故障诊断判据(10)、(11)进行偏差有效值计算对比，如表4所示。

表4 变比偏差故障仿真结果对比表

从表4可以看出，当母线A相电压与线路A相电压进行比较大于ΔU时，可判断其中之一发生故障，再与母线B、C两相进行横向比较，结果同样大于ΔU，时间满足式(12)，且故障相与其他相差值可视为常量，即可确定A相母线电压互感器出现变比偏差故障。

4 结语

线路光纤差动保护装置采集的双端6个电流量及本端4个电压量为电流电压分析比较提供了便利条件，文中针对线路电子式互感器，构建电流电压漂移偏差故障和变比偏差故障数学模型，建立电子式互感器渐变性故障诊断判据。利用线路光纤差动保护装置采集的电流电压量，将保护装置输出电流电压值进行纵向及横向比较分析实现电子式互感器渐变性故障在线诊断。仿真结果表明，该方法不受网络运行方式变化的影响，充分利用现有设备，可在电子式互感器不停电的条件下，实现在线监测和故障诊断。

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