电流互感器备用抽头误短封引起误差分析

张惠山,付炜平,周慧寰,张少军,杜小雪

(1.国网河北省电力有限公司检修分公司,石家庄 050071;2.华北理工大学,河北 唐山 063200)

2019年国网河北省电力有限公司所属某500 k V变电站发生一起因电流互感器(简称“TA”)备用抽头受潮引发端子误短封,影响该TA 正常运行的故障。备用抽头是否应该做短封处理,如何短封,当前有关国标、行标或者企标中并未对TA 二次绕组的备用抽头做明确要求[1]。文献[2]通过试验方式分析了某些情况下备用抽头短封对正常运行的抽头产生影响,某些情况下无影响。同时,也从侧面说明了备用抽头开路不会造成TA 二次开路故障。文献[3-4]通过实际运行异常现象及试验方法分析了备用抽头出现短封的情况下会影响工作抽头的运行。以上文献总体上通过试验进行了定性分析,缺乏详实的理论分析计算及定量分析,无法确定不同的短封工况下对正常运行抽头是否会造成影响及影响程度,以下即开展这方面的分析研究。

1 电流互感器二次备用抽头误短封误差定量分析

1.1 电流互感器的工作原理

电流互感器其运行机理等同于变压器[5-6],均为原边、副边建立电磁耦合关系。通过建立磁势平衡(安匝平衡)实现电流的传变及功率的传输。正常运行时,其一次电流所产生的磁势几乎全部被二次电流所平衡。同时,电流互感器不同于变压器的是其励磁电流与整个一次电流的占比远小于变压器的相应占比,通常可以忽略。故原副边合成磁势可认为0。

1.2 中间抽头为备用抽头形式误短封分析

以典型的500 k V 断路器具备3个抽头的外敷TA 为例,其示意如图1所示。假设S1-S2之间的匝数为N2,S2-S3之间的匝数为N3。抽头S1-S3为正常使用抽头,故其变比为(N2+N3)∶1。假设该电流互感器为理想TA,即其二次回路的内阻抗为∞,且不存在磁饱和的影响。现S2-S3之间发生误短封。设接入相关二次设备的TA 二次回路阻抗为Zl(这个阻抗不一定为纯电阻,可为任意特性的阻抗)。假设S2-S3短接端子的阻抗特性与TA 二次回路阻抗特性相同,则其二次阻抗为kZl(其中k为实数)。TA 原边匝数为N1=1,电流为I1,副边短封处流过的电流为I″2,流入保护装置的电流为I'2。整个TA 回路的电路原理如图2所示。

图1 电流互感器二次抽头示意

图2 TA 回路原理示意

依照原、副边磁势平衡关系得:I1N1=I'2N2+(I'2+I″2)N3(通常情况下N1=1)。对于TA 感应电势原理对TA 列电势感应方程:

对TA 副边二次列电路方程得:

以上方程联立求解得:

对于固定的一次电流I1,当k→0,I'2→0。当k→∞时,即在S2-S3未短封情况下,I'2为正常的采样值。由此求得误差百分数为:

对于确定的I1,依据运维经验,p 的通常设计典型值取1和0.6,取该2个值时的δ↔k 的函数关系曲线如图3所示。

图3 δ↔k 函数关系示意

由图3 可知,2 个取值误差与k 呈现反比特性,当p 值减小时,其函数关系向上侧偏移,即相同的短封条件下,N2匝数减小,N3匝数增大时误差呈现增大的趋势。

1.3 零线抽头为备用抽头形式误短封分析

实际现场中,也存在正常使用S1-S2 抽头,S2-S3误短封的情况。对于该种接线方式,继续参照图1例图及其相关元件及参数的假设方式,则其TA 回路的电路原理图如图4所示。

图4 TA 回路原理示意

相关磁势平衡、电路方程等列写如下:

同理,取p 的2个典型值1及0.6后,其δ↔k的函数关系曲线如图5所示。

图5 δ↔k函数关系示意

由图5可知,其误差特性与图3所示特性变化趋势趋同,仅仅是量值的不同。

1.4 应对措施

由以上分析可知,2种典型的接线方式其备用抽头短封均会对正常抽头带来误差影响,由此基本可以明确备用抽头的短封会对正常运行的抽头造成影响,因此现场运行中应当将备用抽头做开路处理,禁止短封。此外,为了安全起见,备用抽头还应做绝缘处理,防止出现如文中开头所述的因备用抽头渗水受潮而引发短封的故障发生。对于除典型取值特性后等等其他的多抽头TA 接线方式,在备用抽头被短封后对正常运行抽头的测量所产生的具体影响的大小,可依据上文所描述的分析方法自行定量、定性分析。

2 仿真分析

针对以上的理论分析所得出的结论,可进一步通过仿真软件进行验证。使用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件,针对三抽头的TA,变比S2为中间变比抽头,即以上所述的p=1的条件下,对于图2所示回路,搭建仿真电路模型(见图6)。通过取k=0、0.2、2 及∞值进行仿真的电流波形分析,可清晰的观察到在k 值的顺序取值时,正常运行的电流S1的变化趋势由0逐渐增大。同时,当k=0时的仿真波形会观察到S1存在微弱的电流,不为0。出现该种情况的原因是因PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件主要用于暂态特性的仿真分析,故其TA 的模型其内阻抗不能视为∞,故实际波形不可能出现绝对理论分析上的波形,存在微弱的误差,但不影响结论。当k 值取值为∞时,正常运行的电流S1趋于正常,误短封的电流S2 趋于0,与理论分析结论相符合。同理,对于图4所示情况,也可得出相应结论,这里不再重复。

图6 仿真电路模型示意

通过仿真分析,可以确定以上所述的依据电流互感器的安匝平衡关系,电磁感应关系及二次回路的阻抗特性,电路特性分析该类问题的思路是可行的。同时,进一步明确了在现场的运维中,部分短封备用抽头做法的错误性。

3 结束语

通过对抽头式多变比TA 的二次备用抽头的不同短封情况,定性、定量分析了在不同的二次抽头的接线方式条件下,其备用抽头短封对正常运行的误差所带来的影响。从而给出了现场运行中备用抽头受潮出现短封或经过过渡电阻短封后,不同短封形式对正常运行的抽头的测量精度变化的对应关系。同时,通过PACAD/EMTDC 仿真程序验证了理论的正确性。由此明确了在现场运行中,备用抽头需做开路处理,不得短封处理。文中误短封抽头TA 二次回路阻抗特性与正常运行的二次抽头负载阻抗特性相同的假设,而实际由于受潮影响,其阻抗特性将呈现非线性的时变特性。但总体来说,这种假设与实际的差异仅能体现在特性模拟、近似准确精度上的不同而已,因此文中的理论分析方法对分析相关类似问题具有普遍的适用性和理论上的指导和借鉴意义。