智能變電站電子式互感器故障分析及建議
鄧威，毛娟
（中山供電局，廣東中山 528400）
摘要：電子式互感器是智能電網(wǎng)、數(shù)字化變電站的重要設備，其制造、運行及故障檢修經(jīng)驗仍然不足。某變電站數(shù)字化改造3年后，部分電子式電壓互感器二次電壓值不穩(wěn)定，電子式電流互感器二次電流值出現(xiàn)明顯偏差。介紹了電子式互感器系統(tǒng)原理、設備結構，分析了設備異常、故障原因，進行了解體研究及實驗驗證，發(fā)現(xiàn)設備參數(shù)影響紅外測溫結果，電壓互感器取能線圈短路可造成電壓下降，電流互感器并聯(lián)電阻開路可造成電流激增。最后對電子式互感器的設計制造、質量控制及運行維護提出了幾點建議。
關鍵詞：智能變電站：電子式；電壓互感器：電流互感器；故障
0引言
傳統(tǒng)的電磁式、電容式互感器運行穩(wěn)定性好，積累了豐富的運行經(jīng)驗，國內(nèi)外已有大量研究成果。但近年來，電子式互感器由于其絕緣性能優(yōu)良、無飽和、動態(tài)響應好、頻率范圍寬等優(yōu)點，在智能變電站和直流輸電工程巾得以廣泛應用。國內(nèi)外許多學者對電子式互感器及其合并單元的設計、可靠性及校驗方法等進行了大量深入研究。例如，文獻[13]對方形骨架Rogowski線圈的性能進行了分析，文獻[14]提出通過修改合并單元內(nèi)部的比例系數(shù)來調節(jié)電子式互感器的誤差。上述研究分析均取得了一定的成效。
然而，由于缺少技術指導及運維經(jīng)驗，實際應用中仍暴露出不少問題。某局220 kV變電站2009年完成數(shù)字化改造，3年后所采用的南京某光電公司生產(chǎn)的電子式互感器陸續(xù)出現(xiàn)電壓、電流不穩(wěn)定、線圈故障等缺陷，對電網(wǎng)安全運行造成較大困擾。如110 kV 2號TV A相電壓值下降后又緩慢上升，更換后新設備表面溫度較未更換的B.C兩相高；220 kV 1號TV C相電壓值由正常值下降10%后又反復升降；110 kV 1102開關TA A相一組測量線圈電流值與正常值偏差百倍。
本文基于電子式互感器系統(tǒng)及設備的結構原理，分析異常原因并進行了解體研究與論證。最后，對電子式互感器的設計制造、質量控制及運行維護等提出了若干建議。
1 電子式互感器結構原理
1.1 電子式互感器原理
電子式互感器按傳感頭部分是否需要供電電源分為有源型和無源型兩大類。有源型設備包括采用Rogowski線圈或LPCT（低功率線圈）的有源型電子式電流互感器和采用分壓器的有源型電子式電壓互感器。無源型設備包括基于Faraday磁光效應的無源型電子式電流互感器和基于Pockels電光效應的無源型電子式電壓互感器。
Rogowski線圈是一種特殊結構的空心線圈，將測量導線均勻地纏繞在截而均勻的非磁性材料的框架上，導線兩端接上采樣電阻。低功率線圈是電磁式電流互感器的一種改進，按照高阻抗設計，使常規(guī)電流互感器在很高的一次電流下的飽和特性得到改善。
電子式互感器系統(tǒng)包含了合并單元、傳輸系統(tǒng)、一次轉換器以及電流或電壓傳感器。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。模擬電壓、電流量由采集器就地轉換成數(shù)字信號并通過光纖傳送到合并器單元。合并器單元接收并轉換成符合IEC 61850-9格式的數(shù)據(jù)通過光纖以太網(wǎng)提供給保護、測量等設備。采集器單元和合并器單元可以根據(jù)需要是一對一、一對多或多對一等組合形式。
1.2 電子式互感器結構
1.2.1 電子式電壓互感器
采用串行感應分壓器的有源型電子式電壓互感器結構如圖2所示，主要由頭部鋁鑄件、串行感應分壓器、底座、二次線圈組成。一次電壓通過電抗器分壓，二次電壓由采集器就地轉換成數(shù)字信號。
經(jīng)查明，發(fā)生故障的原220 kV 1號TV C相屬于此類。二次線圈含1個采樣線圈和1個取能線圈。
1.2.2 電子式電流互感器
采用Rogowski線圈或低功率線圈的有源型電子式電流互感器結構如圖3所示，主要由傳感頭部件（含二次線圈、采集器等）、信號柱、底座組成。信號柱由環(huán)氧筒構成支撐件，筒內(nèi)填充絕緣脂。二次電流由采集器就地轉換成數(shù)字信號。
經(jīng)查明，發(fā)生故障的原110 kV 1102開關TA的A相屬于此類。二次線圈含2個測量線圈、2個保護線圈和1個取能線圈。
2 電子式電壓互感器發(fā)熱不均衡分析
某變電站110 kV 2號TV A相故障后，選用同廠家、同型號但不同批次的備用電子式電壓互感器臨時替換。復電后進行紅外測溫，結果如圖4所示。
相間比較發(fā)現(xiàn)三相設備最高溫度值差異較大。其中，A相設備表面最高溫度為34.2℃，比未更換的B、C兩相最高溫度（分別為28.5℃和27.9℃）高出6℃左右。
經(jīng)分析，由于批次不同，新、舊設備設計參數(shù)不一致。新TV電抗器線圈匝數(shù)為原TV 2/3左右，運行電流增大，功耗增大。而設備尺寸、散熱面積無明顯變化，導致新設備額定運行時溫度更高。
為對比驗證，將A相TV與同批次生產(chǎn)的設備紅外成像進行橫向比較，結果如圖5所示。設備本體最高發(fā)熱溫度基本一致，證明設備本體無異常。
3 電子式電壓互感器電壓值異常分析
某變電站220 kV 1號TV C相電壓值由正常值下降10%后又反復升降。該設備計量、保護準確度等級分別為0.2級、3P級。退運后進行試驗及檢查。測量該TV電抗器總直流電阻與設備出廠值接近，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。
進行5 010～120%額定電壓范圍內(nèi)的誤差試驗，結果如表1所示，誤差不符合計量0.2級要求，但符合保護3P級要求。
進行局部放電測量，預加電壓368 kV,試驗電壓175 kV，放電量為1 pC，沒有發(fā)現(xiàn)顯著的局部放電信號。
南于為間歇性故障，進行長時問持續(xù)誤差試驗。在額定電壓下，進行了約0.5 h的持續(xù)誤差試驗，其比差由0.95%降至0.92%，誤差無顯著的變化，但依然不滿足規(guī)程要求。
檢查二次接線，發(fā)現(xiàn)其二次接線排上取能線圈線頭裸露，如圖6所示。電子式TV運行中，取能線圈為采集器提供備用電源，運行中應懸空。當接線盒內(nèi)濕度過大或積塵嚴重時，可能造成取能線圈間歇性短路，去磁能力增大，導致磁通減小，二次輸出電壓反復升降。
將取能線圈短路，模擬短路故障進行分析，誤差試驗數(shù)據(jù)如表2所示。在額定電壓下，TV二次電壓值比正常值下降8%以上。
為查明故障，進行解體研究，如圖7所示。檢查線圈接頭連接至二次接線排兩根引線之間、與其余引線及地之間，以及線圈接頭與銅箔屏蔽層之間，均未發(fā)現(xiàn)短路及其他異常情況。
由此推斷，該間歇性故障極可能為二次接線排取能線圈線頭裸露部分由于機械振動或臟污受潮引發(fā)問歇性短路導致。
4 電子式電流互感器電流值激增分析
某變電站原110 kV 1102開關間隔A相TA一組測量線圈電流值與正常值偏離上百倍，其他線圈電流正常。該設備計量、保護準確度等級分別為0.2 s級、STPE級。初步懷疑為一組測量線圈故障。退運后進行試驗及檢查。將二次線圈編號，并測量直流電阻，測量線圈1電阻值跟出廠值相比發(fā)生明顯變化。
對測量線圈1、2進行5%～100%額定電流范圍內(nèi)的誤差試驗，結果如表3所示。測量線圈1誤差不符合計量0.2 s級和保護STPE級要求：測量線圈2誤差符合計量和保護要求。
為查明故障，進行解體研究，如圖8所示。
測試測量線圈1、2各部分直流電阻值。測量線圈1線圈正常，并聯(lián)電阻值無窮大：測量線圈2及并聯(lián)電阻值無異常。解體后檢查發(fā)現(xiàn)測量線圈1并聯(lián)電阻內(nèi)部斷開，如圖9所示。
由此推斷，可能是由于無感電阻繞制工藝不良或金屬材料存在缺陷，運行中發(fā)熱。由于整體被樹脂澆注，運行中散熱不良，導致溫度過高而斷裂。
5結語
本文介紹了電子式互感器系統(tǒng)及設備結構原理，分別對電子式電壓互感器、電子式電流互感器的幾起異常現(xiàn)象進行了分析研究。針對電子式互感器的設計制造及變電站現(xiàn)場運行維護提出以下建議：
(1)電子式電流互感器二次線圈并聯(lián)電阻被樹脂澆注，運行中可能散熱不良而斷裂，嚴重影響設備可靠性，建議廠家不澆注并聯(lián)電阻，便于后期維修及更換處理。
(2)電子式電壓互感器二次短路將會嚴重影響設備精度，建議運行人員排查互感器二次同路接線是否良好，必要時可改變布線方式以消除短路隱患。
(3)由于預試規(guī)程暫未規(guī)定電子式互感器試驗項目，而傳統(tǒng)絕緣電阻、介損及電容量測試效果不佳。建議定期開展紅外測溫，有條件可開展AIS局放測試進行設備絕緣監(jiān)督。
(4)建議加強對線圈并聯(lián)無感電阻等二次電路電子元器件的質量控制�？赏ㄟ^對電子元器件的抽檢、工廠監(jiān)造、生產(chǎn)流程控制等加強對材料、工藝的質量管理。
(5)不同批次電子式互感器設計參數(shù)可能不一致，建議盡可能將同廠家、同型號、同批次設備試驗結果進行橫向比較，并結合廠家設計參數(shù)及出廠試驗結果進行縱向比較。
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