基于波形分析的电流互感器局部暂态饱和检测方法

朱小兰，秦兰桂

（国网青海省电力公司海南供电公司，青海 海南 813000）

0 引 言

电流互感器是电力系统中的一种重要器件，广泛应用于保护、测量和监测等方面。保护用变流器的特性必须符合电力系统、供电装置在运行中发生故障时的需求，即电流互感器在运行中发生短路、断路等异常工况时，系统中的保护装置需要将线路中的一次电流按照规范传送至二次回路，且传送过程的电流偏差不大于规定的范围[1]。深入研究该方面内容，铁芯的非线性和铁芯的饱和，都会对电流互感器在使用中的测量精度产生较大的影响。差动保护作为发电机、变压器的主要保护形式，是否能准确判别区内外故障，直接取决于电流互感器是否能正确传递故障电流，一旦互感器在运行中发生饱和现象，就易导致差动保护误动作。为解决此方面问题，智能电网运营公司与电力监管委员会提出了针对电力系统中的母线电流差动保护措施。根据阶段性的工作实践可知，该保护方式具有一定可行性，已广泛应用于电力工程等相关领域[2]。但是，高压母线的短路电流非常大，而且在发生外部故障时，各个分支中流过的电流差异很大，使一些分支电流互感器发生饱和，无法正常地传递初级电流，从而引起母线保护的差流。随着电力系统规模的扩大，电力系统的短路容量越来越大，互感器的饱和问题也越来越严重。近年来，我国出现了多起电流互感器饱和导致保护误动或拒动的案例[3]。为解决此方面问题，避免变压器、发电机等电力设备的误动，文章引进波形分析技术，设计一种针对电流互感器局部暂态饱和的全新检测方法，实现对互感器在运行中局部、暂态的快速感知，以控制差动保护误动行为发生概率。

1 基于波形分析的电流互感器二次电流暂态信息获取

为实现对电流互感器局部暂态饱和状态的检测，应在设计方法前，引进波形分析技术，进行电流互感器二次电流暂态信息的获取[4]。该过程中，根据电流互感器在运行过程中二次电流波形图的数学形态，掌握互感器的运行工况。同时，提取该过程中的二次电流奇异特征信息，感知其瞬时工况与运行状态。为满足此方面需求，获取电流互感器二次电流波形图，将其作为待处理电流信号f(n)。在分析f(n)波形的过程中，将f(n)作为一个采样的一维多值信号，设定信号域与一维信号中的结构元素序列，对其进行信号的处理。处理过程为

式中：F表示电流互感器二次电流f(n)的预处理；x表示波形图中信号的平均幅值；g(x)表示信号的放大系数。

对完成预处理后的信号进行滤波，采用混合交替滤波器进行二次电流长度与电流波形奇异性的检测，将检测结果作为二次电流暂态信息。进行二次电流的暂态信息获取的表达式为

式中：K(F)表示二次电流长度与电流波形的奇异性检测；f0表示初始化信号的形态学梯度；g1表示信号波形中的极大值；g2表示信号波形中的极小值。

输出计算结果，以此实现基于波形分析的电流互感器二次电流暂态信息获取。

2 电流互感器局部暂态相位偏移饱和识别与检测

为实现电流互感器瞬时局部饱和异常现象的检测，在获取电流互感器二次电流暂态信息的基础上，识别电流互感器局部暂态相位偏移饱和。当电流互感器存在该瞬时状态时，传感器的电流与正常条件下的负荷电流十分接近。因此，对应的互感器制动与最小动作电流的比值应满足小于1 的需求。以此为依据，进行电流互感器局部暂态饱和状态的判定[5]。此过程计算公式为

式中：ψ表示电流互感器局部暂态饱和状态；k1表示互感器制动状态下的二次电流；k2表示电流互感器最小动作电流。

计算互感器制动与最小动作电流比值，如比值小于1，证明互感器局部暂态相位偏移，以此实现对电流互感器局部暂态饱和状态的识别与检测。

3 对比实验

文章引进波形分析技术，设计一种针对电流互感器饱和的全新检测方法。为验证该方法在实际应用中对局部暂态饱和的检测效果，以某电力系统为例，使用EMTDC/PSCAD 软件，在终端建立电流互感器局部暂态饱和仿真模型。电流互感器局部暂态饱和仿真模型如图1 所示。

图1 电流互感器局部暂态饱和仿真模型

本次构建的电流互感器局部暂态饱和仿真模型为500 kV双端输电模型，线路测试端全长约为100 km，线路分布参数如表1 所示。

表1 500 kV 双端输电模型中线路分布参数

在上述内容的基础上，为排除实验中相关因素对电流互感器局部暂态饱和检测结果的影响，需要设计电流互感器在运行中技术参数，如表2 所示。

表2 电流互感器在运行中技术参数设计

完成表2 技术参数的设计后，根据对比实验的具体需求，设计实验过程中对电力互感器运行的采样频率为20 kHz，互感器两端电源相角差值约为10°。已知电力系统中电流互感器在运行第0.08 s 时存在瞬时三相短路故障，使用文章设计的方法，进行电流互感器二次电流局部暂态饱和检测。

检测过程中，假设电流互感器其中的一次电流值为800 A，在排除外界干扰的条件下，进行二次电流的局部暂态饱和的检测。检测时，引进波形分析技术，进行电流互感器二次电流暂态信息的获取，同时通过识别电流互感器局部暂态相位偏移是否饱和。

为满足实验结果的对比需求，引进基于SCADA的局部暂态饱和检测方法作为传统方法1、基于低压台区负线损计算的局部暂态饱和检测方法作为传统方法2。使用传统方法1、传统方法2 和文章设计方法进行电流互感器局部暂态饱和检测，并进行检测结果对比。在已知电流互感器在运行第0.3 s 时，存在局部暂态饱和问题的基础上，进行电流互感器局部暂态二次电流的检测，3 种方法的检测结果如图2所示。

图2 电流互感器局部暂态二次电流检测结果

从图2 的实验结果可以看出，使用文章设计的方法，可以精准识别到电流互感器在第0.3 s 存在局部暂态二次电流异常，即正常状态下，电流互感器局部暂态二次电流在10 ～-10 A，而出现局部暂态饱和现象时，局部暂态二次电流值趋近于0 A，表示此时存在电流互感器运行异常。而采用传统方法1 进行实际应用，其未能检测到电流互感器在0.3 s 存在局部暂态二次电流异常，即在测试区段内，电流互感器的局部暂态二次电流一直稳定在10 ～-10 A。采用传统方法2 进行检测，其能够在0.3 s 处检测到局部暂态二次电流波动，但电流的瞬时波动幅值较小，在实际检测中，极易受相关因素的影响，出现局部暂态饱和检测结果偏差的问题。

根据实验结果，得到如下结论：相比传统方法，文章设计的基于波形分析的检测方法应用效果良好，按照规范使用文章设计方法进行电流互感器局部暂态饱和检测，检测结果更加可靠。由此表明，采用文章设计方法可实现对电流互感器在运行中瞬时异常状态的精准检测，降低了由于互感器故障造成的电力系统供电服务异常，通过此种方式，能够全面保障供电服务的可靠性、稳定性与安全性。

4 结 论

为解决由于电流互感器饱和所引起的保护行为误动现象，文章引进波形分析技术，通过电流互感器二次电流暂态信息获取、电流互感器局部暂态相位偏移饱和识别与检测，设计一种针对电流互感器局部暂态饱和的全新检测方法。完成设计后，通过对比实验证明了文章设计的基于波形分析的检测方法应用效果良好。该方法可以精准检测到电流互感器在运行中的瞬时异常状态，以此种方式，为电流互感器在电力系统中的运行提供全面的技术保障与支持。