基于电流互感器的二次回路故障智能检测方法

张良

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211111）

电流互感器作为电能传输的重要设备，其可靠性是电力系统安全稳定运行的重要保证。电流互感器二次回路故障包括短路和开路两种，会对电能计量及电力系统产生严重的安全隐患。电流互感器二次回路开路、短路现象通常是因触点破损、接触不良和人为短接或断开等故障引起。用于电能测量的电流互感器发生故障会对电能计量的准确性造成影响，二次回路开路是导致电力安全事故的重要因素之一，电流互感器二次回路故障可通过电流回路的导纳值进行判断，根据回路中导纳值的实时检测即可对回路的运行情况进行诊断［1］。综上所述，对电流回路进行实时检测和处理是系统正常运行的重要保证。

1 二次回路故障类型

电流互感器在电能的生产、传输及使用中广泛应用，与二次测的其他设备共同对电力系统进行监管监测，同时与系统中的继电保护装置相连，对线路进行保护，从而实现电能安全稳定的传输。因此需要对其二次回路故障进行检测，并做好预防措施，二次回路故障主要内容包括两点接地、电路断路和电气设备错误接线三方面［2～4］。

1.1 两点接地

电流互感器正常运行时，为了确保系统安全，其二次侧线圈需要单点接地，但是当电流互感器发生两点接地时，系统中的二次回路与大地连接而产生分流，因此一次侧的电流就无法通过二次侧来表征，二次回路不能如实反映一次侧的运行情况，进而会导致二次回路的监控系统异常运行和错误判断。

由电流互感器的工作原理及特性可知，正常工作时，其一次侧和二次侧通过电磁感应实现彼此连接，对二次侧进行电气设备检测时不存在高压对人身构成的威胁，当电流互感器一次侧绝缘系统被损坏时，二次侧会检测到一次侧的高电压，这样就会对二次侧的电气设备性能产生影响，同时也会增加人身触电的几率。因此针对上述隐患，需要将二次侧线圈单点接地，为二次侧电气设备的正常运行和人身安全提供保障，系统中电流互感器运行前需对一次侧的绝缘性和二次侧的接地点进行检测，确认正常后方可投入运行［5］。

1.2 断路原因分析

电流互感器发生断路原因主要有以下几点：

（1）电路设计问题导致滑片与金属片连接不可靠引起断路；

（2）二次侧端子未可靠连接，线路中有大电流时因高温及老化引起断路；

（3）受周围环境影响，二次侧端子生锈腐蚀、电缆内芯断裂等因素引起断路。电流互感器原理如图1所示：

图1 电流互感器原理图

电流互感器的一次绕组、二次绕组分别用L1和L2来表示。由互感器的原理可知，互感器两端电压与其匝数的关系如下：

式中E1、E2分别为一次侧电压和二次侧电压，N1、N2分别为一次侧和二次侧线圈匝数。电流互感器变比表达式如下：

电流互感器正常工作时不能出现断路情况，因为当电流互感器断路时一次侧电流全为励磁电流，大小是正常电流的几百倍，由互感器原理可知二次侧会感应出上千伏的高压，铁芯的磁通也会剧增，互感器温度不断升高，存在烧毁电路的隐患，同时人身安全也将会受到严重威胁。

电流互感器二次侧断路时回路中没有电流会导致相关继电保护装置无法正常工作或者误动作，二次侧断路会引起系统内温度急剧上升易引起火灾，严重时还会破坏线路的绝缘性能，击穿绝缘体，导致单相接地等安全隐患［6］。

1.3 电气设备接线错误

系统中的电流互感器与多个电气设备相连，接线时由于人为操作失误导致的电气设备间错误接线会导致系统出现短路现象，严重影响系统运行的稳定性和安全性，进而会对人身安全构成威胁。

2 故障检测方法分类

2.1 绝缘性检测法

将被测电路接地端与系统断开，根据实际系统的绝缘等级选取合适的测量仪对电路的绝缘电阻进行测量。通过该方法既可以对系统的绝缘性进行测试，又可以确定系统中电路的接地点，这种方法可以实现对电路的快速检测，具有一定的实用性，但对于系统电路接地问题以及绝缘性不满足要求的具体原因无法进一步检测确定。

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2.2 直流测试法

由欧姆表的特性可知当其与被测电路相连接时，电路阻抗会很低，将电路二次侧与电缆连接的转接点全部断开，从而保证内部接线断路，彼此间无电磁感应现象产生，这样才能进行正常的检测。该测试方法工序繁琐，虽然可以对系统电路的回路运行情况进行判定，但是对电路其他性能的检测却无能为力［7］。

2.3 一次侧通流法

将被测电流互感器的一次侧与大容量升流系统的输入端进行连接，通过调节升流系统使一次侧输入所需的大电流。根据被测互感器的电气参数在其一次侧输入正常工作电流，在其二次侧连接相关电气设备用来检测二次侧电流的大小和具体电气特性，结合电路理论和电流互感器的工作原理，对电流互感器二次回路连接状态进行判定［8］。该方法一次侧接入电流大小可调节，因此可以根据一次侧电流的大小对二次侧回路的运行状态进行检测，但对于系统中包含变压器组的电路来说，因其无法准确模拟导致实际检测效果不理想。

3 二次回路故障检测系统

3.1 设计原理

电流互感器工作区分为线性和非线性两种。当其在线性工作区时，内阻无穷大，可以等效成一个恒流源，二次侧的输出与负载阻抗的变化无关，但当阻抗继续增大时，二次侧的励磁电压也随之增大，直至电流互感器的饱和电压，此时电流互感器在非线性区域工作，同时励磁电流随着励磁电压的增大而增大，最终导致励磁回路将二次侧负载电流分流［9］。

根据电流互感器等效电路（如图2所示），可以得到误差表达式如下：

图2 电流互感器等效电路图

式中R2为二次侧直流电阻，x′2为折算到二次侧漏抗值，Zb为负载阻抗，表达式如下：

由上述分析可知，电流互感器二次侧电路导纳与负载阻抗大小以及励磁特性有关，互感器正常工作时其负载阻抗恒定，励磁阻抗随着励磁电压的改变而变化。

3.2 系统方案

二次回路故障检测系统内部包括一个两路信号输出的电流互感器，一路用来实现计量，另一路实现信号检测，检测系统正常工作时，与被测电流互感器构成一个电流回路。电流互感器二次回路故障检测系统框图如图3所示。被测电流互感器二次侧正常运行状态以及开路和短路状态可以通过检测系统内部电流互感器的导纳值来判断。通过在其信号检测的线圈上注入一正弦信号，然后通过计量线圈对被测互感器的信号变化进行采集，经过信号调理电路和A/D采样电路后送至处理器，最终实现被测互感器二次回路状态的判断。

图3 二次回路故障检测系统框图

3.3 检测方法

根据二次回路故障检测系统的工作原理，接入被测电流互感器，通过处理器经正弦波发生器产生标准正弦信号，被测电流互感器的阻抗值因生产厂家及变比的不同而不同，这样就会导致正弦信号的幅值随着阻抗大小不同而发生变化，当电流互感器二次侧发生短路时，根据短路程度以及短路电流所占的比例会有所区别，当电流互感器二次侧发生短路时，被测电流互感器的导纳值会有明显的变化，相当于将其二次侧用导线进行连接，反馈信号保持不变［10］。对于二次回路发生开路、短路现象时，该检测系统可以灵敏的对其状态进行判断。

处理器模数转换模块具有12位采样精度，对应0-3V的测量范围，系统设计时通过信号调理电路将二次侧短路和开路时对应的电压值限定在采样范围内，当互感器正常工作时，调理电路输出的电压值与被测互感器有关，在一限定的电压范围内，处理器根据采样电压值的大小就可以实现互感器运行状态的判断，检测系统分辨率较高［11］。

3.4 试验结果

根据上述方法对某电流互感器进行连续模拟故障检测试验，二次回路在正常运行、开路及短路时对应的输出电压幅值不同，如图4所示，根据电压大小即可对二次回路的运行状态进行检测。

图4 不同运行状态电压波形图

4 结论

本文基于导纳法提出了一种用于电流互感器二次回路故障检测的方法，可以对互感器正常运行、开路和短路等故障状态实时智能检测。首先对电流互感器二次回路故障类型进行描述，然后详细介绍了电流互感器二次回路故障检测方法的种类，最后对本文所提出的二次回路故障检测系统的设计原理、系统方案以及具体检测方法进行了说明。该方法可以实现互感器在不同负载下的准确检测，在二次回路开短路中应用可以及时发现回路故障，提高了检测的灵活性和便捷性，为电力系统的正常运行提供了重要保证。