電子式互感器可靠性分析研究

侯曉一+關(guān)煥新

摘 要：基于對(duì)電壓、電流的精確測(cè)量，電子式互感器即是實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行實(shí)時(shí)信息數(shù)字化的主要設(shè)備之一，在電網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)、提高繼電保護(hù)可靠性等方面具有重要作用，是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行控制整體水平的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，電子式互感器存在運(yùn)行缺陷和故障問(wèn)題，其中最為突出的是現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境影響問(wèn)題。因此，本文提出幾個(gè)電子式互感器電磁環(huán)境干擾問(wèn)題的解決方法，提高電子式互感器運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：智能變電站；電子式互感器；合并單元

從智能變電站的分層結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，電子式互感器作為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵設(shè)備，它的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)變電站運(yùn)行的檢測(cè)控制等關(guān)鍵性的作用，電子式互感器把高電壓和大電流直接轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的范圍，并會(huì)傳遞到間隔層智能設(shè)備。鑒于電子式互感器的突出作用和重要性，國(guó)家電網(wǎng)公司從2011年起制定了性能檢測(cè)試驗(yàn)，推動(dòng)電子式互感器更快更好地發(fā)展。此試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求更高，更加符合試驗(yàn)掛網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況。

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，電子式互感器是智能變電站的關(guān)鍵設(shè)備之一。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)電子式互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表明，電子式互感器僅占所有在運(yùn)互感器的0.48%，運(yùn)行可靠性問(wèn)題嚴(yán)重，其中溫度，濕度，現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的適應(yīng)問(wèn)題，阻礙了電子式互感器的進(jìn)一步推廣。

電子式互感器具有高準(zhǔn)確度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、暫態(tài)響應(yīng)范圍大、無(wú)磁飽和及鐵磁諧振等傳統(tǒng)電磁式互感器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電子式互感器己成為智能變電站的關(guān)健設(shè)備，采用電子式互感器己成為智能變電站的重要特征之一。電子式互感器按傳感原理可分為無(wú)源型和有源型兩大類(lèi)，其中包括基于Faraday磁光效應(yīng)的無(wú)源型電子式電流互感器和基于Pockels電光效應(yīng)的無(wú)源型電子式電壓互感器，以及采用Rogowski線(xiàn)圈或LPCT線(xiàn)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。若按結(jié)構(gòu)分類(lèi)，電子式電流互感器可分為支柱式、懸掛式、GIS型、套管型和澆注型；電子式電壓互感器可分為支柱式、GIS型和澆注型。

電力設(shè)備的安全可靠運(yùn)行是電力系統(tǒng)的基本要求，電子式互感器現(xiàn)階段最為突出的仍是其可靠性的問(wèn)題，采用新技術(shù)的電子式電壓、電流互感器的可靠性還有待進(jìn)一步分析研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)行在電子式互感器的可靠性分析研究工作比較少。經(jīng)過(guò)多年的試用實(shí)踐，電子式互感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)已在一些典型的電站上得到驗(yàn)證。但在技術(shù)進(jìn)步效果明顯的同時(shí)，擴(kuò)展應(yīng)用也面臨新的問(wèn)題，電子式互感器現(xiàn)階段最為突出的是可靠性的問(wèn)題，最集中的表現(xiàn)是在溫度，濕度，振動(dòng)及應(yīng)對(duì)惡劣的電磁環(huán)境上。現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外從標(biāo)準(zhǔn)體系，試驗(yàn)方法到設(shè)計(jì)規(guī)范，尚未完全意識(shí)到電站特殊電磁干擾的嚴(yán)重性，至今還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)高電壓電站電磁干擾方面的系統(tǒng)試驗(yàn)和理論研究，導(dǎo)致的結(jié)果是電子式互感器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中缺少與電站實(shí)際操作等效的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)測(cè)方法。

下面介紹電子式互感器可靠性提高的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）采取等電位屏蔽小電容分壓器，進(jìn)而改善EVT耐受暫態(tài)過(guò)電壓的能力。提出帶等電位梯度屏蔽結(jié)構(gòu)的小容量EVT分壓器結(jié)構(gòu)，減少大氣過(guò)電壓、操作過(guò)電壓對(duì)EVT二次系統(tǒng)的影響程度；有效降低EVT傳感器電容量，提高主絕緣可靠性；減少系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中通過(guò)耦合電容器的脈沖電流，降低因地電位升高導(dǎo)致的采集單元故障率；提高分壓器有機(jī)絕緣件壽命和安全可靠性；提高EVT整體的可靠性，解決當(dāng)前EVT運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）提高ECT暫態(tài)特性試驗(yàn)方法和能力建設(shè)，完善暫態(tài)特性試驗(yàn)。目前針對(duì)ECT的暫態(tài)特性試驗(yàn)己提出了ECT暫態(tài)特性合成試驗(yàn)方法，研制了TPE級(jí)電子式電流互感器暫態(tài)特性等安匝合成試驗(yàn)裝置，其一次穩(wěn)態(tài)電流為50kAT，一次暫態(tài)電流峰值為40kAT，一次時(shí)間常數(shù)為200ms。今后仍需大力開(kāi)展電子式互感器檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究工作，為電子式互感器的性能提升與穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

（3）改善電子式互感器二次部分的可靠性與互換性。采用具有自校準(zhǔn)功能的多冗余的采集器設(shè)計(jì)，改善電子式互感器的可靠性和互換性。采集器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維護(hù)（熱插接）的功能，可在線(xiàn)更換任何一個(gè)故障或工作異常的模塊，非故障模塊自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，不影響電子式互感器正常的計(jì)量、測(cè)量和保護(hù)功能。采集器在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)與誤差校定的功能模式，即實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)更換后的正常功能恢復(fù)技術(shù)。

（4）完善合并單元檢測(cè)可以進(jìn)一步提高電子式互感器整體運(yùn)行可靠性。在采集器與合并單元之間設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，開(kāi)展合并單元專(zhuān)業(yè)檢測(cè)，增加電子式互感器整體試驗(yàn)中未覆蓋到的檢測(cè)項(xiàng)目，可以對(duì)電子式互感器整體試驗(yàn)形成有效補(bǔ)充，降低電子式互感器整體應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)合并單元而言，插值算法、軟件積分以及對(duì)輸入信號(hào)異常的處理機(jī)制是影響其數(shù)據(jù)傳變準(zhǔn)確性的因素，具體的影響如下：

第一，插值算法的影響

合并單元負(fù)責(zé)接收多路采集器和級(jí)聯(lián)的數(shù)據(jù)，多路數(shù)據(jù)是異步采集、異步傳輸，合并單元通過(guò)插值算法對(duì)其進(jìn)行同步處理。插值同步是合并單元的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，對(duì)合并單元最終的采樣率、帶寬、幅值、相位、時(shí)間特性、頻率特性都產(chǎn)生直接影響。因此，需要對(duì)合并單元施加多路異步數(shù)據(jù)，考核合并單元多路采樣數(shù)據(jù)的同步性，考核基波和高頻信號(hào)的幅值誤差、相位誤差、頻率誤差和復(fù)合誤差，為合并單元采用的各類(lèi)插值算法進(jìn)行把關(guān)。

第二，暫態(tài)信號(hào)的影響

電子式互感器合并單元對(duì)暫態(tài)信號(hào)的傳變精度影響較大，針對(duì)合并單元展開(kāi)暫態(tài)測(cè)試，保證其暫態(tài)信號(hào)傳變能力，對(duì)控制電子式互感器整體暫態(tài)性能有所幫助。

羅氏線(xiàn)圈輸出一次電流微分信號(hào)，需要通過(guò)積分還原信號(hào)。合并單元采用軟件積分時(shí)會(huì)影響其暫態(tài)性能，需要對(duì)合并單元施加各類(lèi)不同短路幅值、合閘角度、衰減時(shí)間常數(shù)、持續(xù)時(shí)間的暫態(tài)信號(hào)，以測(cè)試合并單元的暫態(tài)特性。

第三，高頻信號(hào)的影響

當(dāng)采集器的采樣率高于合并單元的輸出采樣率（如80點(diǎn)每周波）時(shí)，數(shù)字量的傳變會(huì)產(chǎn)生帶寬變窄的情況，但合并單元需要保證最終輸出信號(hào)不產(chǎn)生頻率混疊。因此，需要對(duì)合并單元開(kāi)展抗頻率混疊試驗(yàn)。

第四，光強(qiáng)變化的影響

由于器件、光纖等的老化和環(huán)境的累積影響，電子式互感器采集器的輸出光強(qiáng)會(huì)逐漸降低。合并單元在設(shè)計(jì)的光強(qiáng)范圍內(nèi)應(yīng)能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，需要開(kāi)展光強(qiáng)裕度和靈敏度測(cè)試。

第五，數(shù)字信號(hào)異常的影響

當(dāng)電子式互感器采集器由于硬件、軟件、通信鏈路不穩(wěn)定或其他原因發(fā)生瞬時(shí)或間斷性異常時(shí)，可能造成數(shù)字報(bào)文出現(xiàn)錯(cuò)誤幀、丟幀、粘幀或狀態(tài)標(biāo)變位等異常情況，需要模擬各種異常情況，測(cè)試合并單元的容錯(cuò)機(jī)制和異常判別機(jī)制。

第六，其他影響

根據(jù)積累的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，也存在以下幾種情況：

電子式互感器本體數(shù)據(jù)異常時(shí)合并單元的處理機(jī)制不同，采樣數(shù)據(jù)品質(zhì)位設(shè)置混亂。

電子式互感器存在電壓與電流之間在級(jí)聯(lián)后同步超差的情況。

合并單元的額定延時(shí)配置對(duì)電子式互感器整體絕對(duì)延時(shí)的影響。

就現(xiàn)階段而言，針對(duì)合并單元開(kāi)展測(cè)試可以完善和提升電子式互感器整體性能，提高電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在開(kāi)展合并單元測(cè)試和電子式互感器整體測(cè)試的同時(shí)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)積極溝通、互相配合，融合合并單元與電子式互感器的測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法，最終實(shí)現(xiàn)電子式互感器一體化測(cè)試，提升電子式互感器的性能和質(zhì)量。endprint