注入式高壓隔離開關刀閘狀態在線監測系統研究

倪傳坤 黎恒烜 陳海龍 鄧茂軍 張艷超

摘 要：本文提出一種注入式高壓隔離開關刀閘狀態在線監測系統，通過電壓互感器開口三角繞組，將外加電源信號注入高壓隔離開關刀閘監視回路，在線監視高壓隔離開關刀閘的狀態。本方法能夠可靠監測輕載、空載、重載線路高壓隔離開關刀閘的運行狀態。同時還具有監測精度高、速度快、持續工作能力強等優點，可以方便、快捷、可靠地監測開關刀閘運行狀態，很好地滿足系統對開關刀閘運行狀態監視的需求。

關鍵詞：注入式;高壓隔離開關刀閘;在線監測

中圖分類號：TM564.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0039-03

Abstract： This paper proposed an on-line monitoring system for the injection high-voltage isolating switch knife gate state. The injected signal power supply injects the power signal into the monitoring circuit of high-voltage disconnector switch through the open triangle winding of voltage transformer， and monitors the state of the high-voltage disconnector switch on-line. This method can reliably detect the operating state of the switch and switch of the high voltage isolation switch for light load or no load lines. At the same time， it has the advantages of high detection accuracy， high speed and strong continuous working ability. It can detect the operation status of switch conveniently， quickly and reliably， which satisfies the requirement of the system for monitoring the operation status of switch switch .

Keywords： injection type;high voltage disconnector knife gate;on-line monitoring

斷路器和隔離開關作為變電站重要的一次設備，可能存在因部分機械構件松動卡澀或老化導致合閘不到位的情況。目前，通常采用測控裝置采集的二次輔助接點狀態判斷其位置。這種指示方式在主觸頭不完全到位的情況下，不能作為一次設備位置的可靠判據。

目前，判斷隔離開關的狀態多采用人工現場觀測、主觀判斷的方法。這種方法主觀性較強，而且準確性和效率較低。現有的隔離開關狀態自動監測方法主要有測溫法、測力法、測距法、光學法、圖像法等[1-3]，存在成本高、可靠性低等問題。

針對以上問題與需求，本文提出了注入式高壓隔離開關刀閘狀態在線監視方案。本方案可以實時計算注入系統的注入電壓、注入電流的大小以及零序阻抗大小，并能夠根據需要對報警值進行預先設定，當計算值大于設定值時，會發出報警或跳閘，能有效對高壓隔離開關刀閘運行狀態起到監測預警作用，同時還具有監測精度高、速度快、持續工作能力強等優點，可以方便、快捷、可靠地實現對高壓隔離開關刀閘運行狀態的監測，很好地滿足了系統對高壓隔離開關刀閘運行狀態監視的需求。

1 注入式開關刀閘狀態監測基本原理

注入式高壓隔離開關刀閘狀態監測的基本原理是通過電壓互感器開口三角繞組向系統注入非工頻信號（小信號），監測注入信號的電流、電壓，并計算零序電阻的特征變化，采用電流智能比對及阻抗綜合判別的高壓隔離開關刀閘狀態。

在工作期間，注入電源向系統中注入低頻電壓，若開關刀閘正常，不存在因部分機械構件松動卡澀或老化導致合閘不到位的情況，低頻電流通過系統及接地返回，零序阻抗較小，注入的電流在3個完整的零序路徑中流動，流經變壓器次級繞組并流出繞組。這種零序模式下，阻抗相對較低（數百或數千歐姆）;若開關刀閘部分機械構件松動卡澀或老化導致合閘不到位，低頻電流通過系統正常相、合閘不到位的開關刀閘對地電容阻抗及接地返回，零序阻抗較大，注入的電流在完整的零序路徑及缺相的零序阻抗中流動，流經互感器次級繞組并流出繞組。這種零序模式下，阻抗相對較大（數兆歐姆），零序電阻的特征及零序電流的變化較明顯[4]。

2 注入式開關刀閘狀態預警監視系統

2.1 監視系統的構成

注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統構成如圖1所示[5]。

注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統一般包含低頻注入電源、低通濾波器、電流、電壓監測計算模塊以及控制模塊等。低通濾波器的作用是使整個監測系統的特性對工頻50 Hz電流阻抗很大，而對自身產生的非工頻電流阻抗值極小。低頻電源經過低通濾波器后，疊加于電壓互感器三角繞組二次側，通過電壓互感器原邊耦合至一次側。

注入電壓的選取要求如下：①注入頻率與系統頻率不一樣，可簡單地利用低通濾波器隔離系統干擾;②由于保護裝置的噪聲比高，只要很小的偏移電壓就能可靠動作，注入電壓的幅值不超過系統額定相電壓值1%～3%，故對系統的中性點電壓偏移無影響，不影響系統的正常測量。

測量回路主要包括注入電流互感器采用高精度電流互感器，作用是測量注入回路零序電流，提高測量精度;注入電壓互感器的作用是測量注入電壓。注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統微機裝置主要包括模擬量采集回路、采樣保持（S/H）和模/數（A/D）轉換、CPU邏輯運算、信號出口、人機接口等。

2.2 注入式開關刀閘狀態監測零序等效回路

注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統注入信號零序等效回路如圖2所示。

在工作期間，注入電源Un向系統中注入低頻電流，若開關刀閘正常，不存在因部分機械構件松動卡澀或老化導致合閘不到位情況，低頻電流通過變壓器零序阻抗Zt0、系統零序阻抗Zs0及接地返回，系統等效零序阻抗Z0較小，注入的電流在3個完整的零序路徑中流動，流經變壓器次級繞組并流出繞組。這種零序模式下，零序阻抗Z0相對較低（數百或數千歐姆）;若開關刀閘部分機械構件松動卡澀或老化導致合閘不到位，低頻電流通過變壓器零序阻抗Zt0、開關刀閘線路對地電容零序阻抗及接地返回，等效零序阻抗Z0較大，注入的電流在完整的零序路徑及缺相的零序對地電容阻抗中流動。這種零序模式下，零序阻抗Z0相對較大（數兆歐姆），零序阻抗的特征及零序電流的變化較明顯。

2.3 注入式開關刀閘狀態監測判據

注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統判據包含零序阻抗判據和零序電流判據以及注入電源回路異常監視功能。同時，裝置引入高壓側電流，電壓用于線路重載情況下開關刀閘狀態監視及故障區分。

2.3.1 動作判據。①阻抗判據，公式如下：

（1）

裝置測量注入回路的電壓及電流，采用傅里葉變換計算低頻分量電壓、電流大小，實時計算回路零序阻抗。當測量阻抗大于定值時，裝置經延時告警或跳閘。

②電流判據，公式如下：

（2）

裝置測量注入回路電流，采用傅里葉變換計算低頻分量電流大小，實時監測注入電流的大小。當測量注入電流小于定值時，裝置經延時告警或跳閘。

③輔助判據。輔助判據主要用于監視注入電壓、電流回路的異常，當注入回路異常時閉鎖監測功能，保證裝置監測功能的可靠性，公式如下：

（3）

當注入回路的電壓、電流都大于門檻值時，表示注入回路正常，裝置正常工作;若注入電壓或注入電流任一項低于門檻值時，表示注入回路斷線或異常，此時閉鎖監測功能。

④高壓側負序過流判據，公式如下：

（4）

測量高壓側電流工頻分量，計算負序電流分量。當負序電流大于定值時，裝置經延時告警或跳閘。此判據主要用于線路重載開關刀閘狀態監視。

2.3.2 動作邏輯。注入式高壓隔離開關刀閘在線監測系統邏輯如圖3所示。

當高壓隔離開關刀閘線路輕載或空載合閘不到位時，保護裝置檢測注入的電壓、電流信號，通過計算零序阻抗阻值、零序電流大小來判斷高壓隔離開關刀閘運行狀態。

在注入回路正常條件下，當判據（1）（2）任一項滿足時，裝置經延時t1告警或跳閘。當開關刀閘線路重載缺相運行時，保護采用注入式原理判據和高壓側負序電流判據構成雙重化的高壓隔離開關刀閘運行狀態監測判據。當開關刀閘線路重載缺相運行時，當判據（4）滿足時，裝置經延時t2告警或跳閘。

為了保證高壓隔離開關刀閘運行狀態監測的選擇性及可靠性，邏輯圖中引入了非故障檢測模塊，該模塊包括用于檢測線路隔離開關的幾種類型的非斷相故障功能。主要包括線路側相間故障、接地故障等。這些故障通常由變壓器或高壓側線路保護方案保護。

3 結語

本文介紹了一種全新的注入式高壓隔離開關刀閘狀態在線監視系統，通過電壓互感器開口三角二次繞組，將外加電源信號注入電力系統，通過檢測注入回路零序阻抗、電流的大小，采用電流智能比對及阻抗綜合判別的方法監測高壓隔離開關刀閘狀態。本方法能夠有效在線監測輕載、空載、重載線路高壓隔離開關刀閘的運行狀態。同時還具有檢測精度高、速度快、持續工作能力強等優點，可以方便、快捷、可靠地實現對高壓隔離開關刀閘運行狀態的在線監測，很好地滿足系統對高壓隔離開關刀閘運行狀態監視的需求。

參考文獻：

[1]張艷，田競，葉逢春，等.基于紅外傳感器的高壓開關柜溫度實時監測網絡的研制[J].高壓電器，2005（2）.

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[3]白申義，李剛，周水斌，等.真空斷路器智能控制裝置[J].低壓電器，2010（6）.

[4]張蕪.電力系統非全相運行時相序電流和相序電壓的關系[J].繼電器，2003（11）.

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