基于環路阻抗角的高壓電器設備錯誤接線自動檢測方法

（華僑大學 信息科學與工程學院，廈門 361021）

0 引言

接地線是高壓電器設備維修過程中的一個重要環節，但不規范的管理和使用，往往會導致地線拆除，從而引發誤操作事故，給工作人員、電網和設備的安全帶來了極大危害。近幾年來，隨著電網建設的加快，電網容量不斷增加，輸電功率不斷提高。各電網之間的聯系更加緊密，從而更有可能拉動一個發電機來帶動整個機體運轉。若斷開輸電線路，尤其是斷開主要設備或通道，將對電網造成不可估量的破壞[1]。

傳統地線狀態監測預警方法在輸電線路維護和刪除過程中對臨時地線進行識別，并將信號發送回實時調度端，雖然使用該方法可以在一定程度上避免接地線合閘誤操作，但仍然涉及到工作人員的行為，檢測結果穩定性較差。除此之外，還有研究人員提出通過調度反饋的形式將地線狀態編輯成短信發送到調度中心，調度中心工作人員將地線狀態反饋給現場操作人員的接線檢測方法，但是該方法運算過程復雜，實時性較差[2]。針對上述傳統方法存在的問題，提出了一種基于回路阻抗角的高壓電器誤接線自動檢測方法。利用變頻接地電阻測試儀，將感應電壓信號加入線頭端。同時，接地線的工作狀態根據其相角來確定，這樣工作人員就能在接地線信息被關閉前，通過檢測電流，計算出阻抗，防止接地線被錯誤關閉。

1 高壓電器設備錯誤接線分析

高壓電器不僅可以接通和斷開正常負荷電流，還可以接通和承受一定時間內的短路電流，并且在保護裝置的作用下，可以自動斷開和排除故障[3]。根據滅弧介質的不同，高壓電器設備可以分為斷油斷路器、氣體斷路器和真空斷路器[4]。高壓電器設備根據運行機構可分為彈簧運行機構、電磁運行機構和永磁運行機構；在電磁作動器中，直流工作部分所需的能量較多，而永磁作動器的直流工作電源則較少[5]。220kV高壓電器設備主接線如圖1所示。

圖1 220kV高壓電器設備主接線

由圖1可知，在分析母線保護線路事故信息的基礎上，結合故障運行模式，可以對220kV側正母線短路故障進行初步判斷。根據高壓電器設備主接線形式，為了實現對高壓電器設備錯誤接線的自動檢測，分析高壓熔斷器、高壓隔離開關、電流互感器和電壓互感器的工作原理與錯誤接線方式。

1.1 高壓熔斷器

高壓熔斷器是最簡單的用來保護電器的保護裝置，它可以防止過載和短路電流破壞。高壓熔斷器是一個熱響應裝置，保險絲或其內部保險絲由高電阻的易熔合金或小截面的良導體制成。為保護線束等設備，將其設計和制造為電路最薄弱環節[6]。高壓熔斷器在正常工況下不會熔斷，在系統發生短路或嚴重超載時，熔斷器或熔斷器會立即熔斷，以保護電路和電器。在高壓保險絲布線出現故障時，一旦發生短路或嚴重超載問題，電路及電器設備就不能得到保護[7]。

1.2 高壓隔離開關

高壓隔離開關應與高電壓斷路器配合使用，用于室內三相50Hz，額定電壓12kV的交流電設備。其適用于有電壓、有負荷時的高壓設備接線、切斷或換線。保證高壓電器設備在維修過程中的安全性，起到電壓隔離的作用[8]。固定觸點包括彎曲成直角的銅板，銅板帶孔的一端可以用螺釘連接到母線上；另一端在高壓隔離開關閉合時可以接觸到動葉（動觸頭）。在鍍鋅板接觸器板的兩端安裝，確保被相互吸引的磁場磁化后，當流過短路故障電流時能夠鎖定接觸器，并增加接觸器的接觸壓力，以提高隔離開關動、熱穩定性[9]。

1.3 電流互感器

電流互感器是根據電磁感應原理，把初級側的大電流轉換成二級側小電流的儀器。該變流器由封閉鐵心和線圈組成，其初級線圈匝數很小，并與要求測量電流的電路相連。在電壓互感器中，線路的全部電流經常流過，次級線圈的匝數比較大[10]。測量儀表與保護電路串聯使用，在使用中，電流互感器的二次側電路始終處于關閉狀態，因此，測量儀器和保護電路之間的串聯線圈阻抗很小，電流互感器的工作狀態接近短路。該變流器將初級側的大電流轉換成二級側的小電流進行測量，副翼無法打開，導致高壓電器設備無法使用。

1.4 電壓互感器

電壓互感器是把交流電壓（電流）值轉換為另一個或幾個相同頻率上不同電壓（電流）值的靜態電器，互感器應可靠接地。作業零線和中性接地線應分別鋪設，作業零線不得埋在地下，變壓器中心點的接地電路應該是可拆卸的連接螺栓，靠近變壓器，接地電阻應在4Ω以下。針對僅有部分次級線路燒毀的情況，應對次級線路問題進行初步分析，如果發現開三角C相繞組短路后，則高壓電器設備無法使用。

2 基于環路阻抗角錯誤接線自動檢測研究

在上述高壓電器設備錯誤接線分析結果支持下，可將檢修中的線路視為高壓電器設備接有電抗器L0的空載線路，如圖2所示。

圖2 高壓電器設備接有電抗器的空載線路

由圖2可知，根據空載線路無損傳輸分布形式，計算入口阻抗方程，如下所示：

當空載線路中無漏拆接地線時，線路末端是處于開路狀態的，此時電抗器L0無窮大，該情況下的入口阻抗方程為：

當空載線路中有漏拆接地線時，線路末端是處于開短路狀態的，此時電抗器L0數值為0，該情況下的入口阻抗方程為：

式(1)、式(2)中，R表示電抗器阻抗；α表示線路發出的電信號參數，其計算公式為：

式(3)中，l表示空載線路長度；β表示發出電信號角頻率；f表示空載線路額定頻率；v表示電信號傳遞速度，其計算公式如下所示：

式(4)中，H表示空載線路總電感；C表示空載線路總電容。

在空載線路中無漏拆接地線和有漏拆接地線兩種情況時，入口阻抗隨空載線路總電感和空載線路總電容變化而發生改變，在空載線路額定頻率閾值內，入口阻抗大小與空載線路長度之間變化關系如圖3所示。

圖3 入口阻抗隨長度變化關系

由圖3可以看出：當線路長度大于0小于v/8f時，容性入口阻抗絕對值大于感性入口阻抗絕對值；當線路長度大于v/8f小于v/4f時，容性入口阻抗絕對值小于感性入口阻抗絕對值；當線路長度大于v/4f時，在空載線路中無漏拆接地線和有漏拆接地線的兩種情況下，角發生改變，容性入口阻抗變為感性入口阻抗，感性入口阻抗變為容性入口阻抗。

通過上述分析可知，當線路長度大于v/4f時，環路阻抗角（即激勵電壓相角與環路電流相角差值）可作為高壓電器設備錯誤接線判斷基準：當環路阻抗角小于0時，環路阻抗為容性阻抗，此時高壓電器設備錯誤接線全部被清除；當環路阻抗角大于0時，環路阻抗為感性阻抗，此時高壓電器設備錯誤接線未完全消除。

3 實驗

為了驗證基于環路阻抗角的高壓電器設備錯誤接線自動檢測方法的合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 實驗環境

以某實業發展公司的高壓電器設備生產情況為例，分析“高壓電器實際應用項目”，該項目符合某高新技術產業開發區應用規劃，年用電量為817725.35KW，能源利用效率良好。以GW4-40.5kV型戶外高壓隔離開關為例，GW4-40.5kV型戶外高壓隔離開關采用雙柱中開結構，具有自動清潔能力，能夠提高隔離開關的可靠性。依靠自身彈力夾緊觸頭，避免因彈簧銹蝕而引起的夾緊力降低問題。

該開關錯誤接線時，出現的現象如表1所示。

3.2 實驗結果與分析

分別使用地線狀態監測預警方法、基于調度反饋的地線狀態在線監測方法和基于環路阻抗角檢測方法研究開關錯誤接線檢測情況，對比內容如下所示。

表1 高壓隔離開關錯誤接線現象

1）種類1

在種類1下，三種方法的電壓變化情況如圖4所示。

圖4 種類1下三種方法電壓變化對比分析

由圖4可知，在有擊穿、無閃絡錯誤接線的情況下，使用地線狀態監測預警方法、基于調度反饋的地線狀態在線監測方法與實際電壓值相差較大，當實驗次數為5次時，兩種方法的電壓值與實際電壓分別相差72V、62V。而使用基于環路阻抗角檢測方法與實際電壓值相差較小，在實驗次數為4次時，與實際電壓相差最大，僅為6V。

2）種類2

在種類2下，三種方法的電壓變化情況如圖5所示。

圖5 種類2下三種方法電壓變化對比分析

由圖5可知，在有閃絡、無擊穿錯誤接線的情況下，使用地線狀態監測預警方法、基于調度反饋的地線狀態在線監測方法與實際電壓值相差仍然較大，而使用基于環路阻抗角檢測方法與實際電壓值基本一致。

3）種類3

在種類3下，三種方法的電壓變化情況如圖6所示。

圖6 種類3下三種方法電壓變化對比分析

由圖6可知，在有擊穿、出現一次閃絡錯誤接線的情況下，使用地線狀態監測預警方法、基于調度反饋的地線狀態在線監測方法與實際電壓值相差較大，并且差距逐漸加大，總體呈上升趨勢，說明傳統方法受錯誤接線影響較大，而使用基于環路阻抗角檢測方法與實際電壓值基本一致。

4）種類4

在種類4下，三種方法的電壓變化情況如圖7所示。

圖7 種類4下三種方法電壓變化對比分析

由圖7可知，在有閃絡、出現一次擊穿錯誤接線的情況下，使用地線狀態監測預警方法、基于調度反饋的地線狀態在線監測方法與第2種和第3種錯誤接線類型相比，電壓值有所降低，但與實際值依然存在較大偏差，而使用基于環路阻抗角檢測方法與實際電壓值相差較小，在實驗次數為2次時，與實際電壓相差最大，僅為3V。

5）種類5

在種類5下，三種方法的電壓變化情況如圖8所示。

圖8 種類5下三種方法電壓變化對比分析

由圖8可知，在無擊穿、無閃絡接線的情況下，使用傳統兩種方法均與實際電壓相差較小，使用基于環路阻抗角檢測方法與實際電壓值一致。

綜合分析上述實驗結果可知，在不同高壓隔離開關錯誤接線類型，所提基于環路阻抗角檢測方法檢測得到的電壓值與實際電壓值之間的差距較小，說明該方法的檢測結果可靠，可以實現對錯誤接線的自動檢測。

4 結語

高壓電器設備中，線路錯誤接線在所難免。利用回路阻抗角實現了高壓電器設備錯誤接線的自動檢測，即可以利用回路阻抗角在不平衡接線故障跳閘時自動檢測錯誤接線。雖然運用所提方法可以實現對總線短路故障保護裝置電壓變化的自動檢測與分析，但是沒有對臨界保護動作進行計算，因此，在接下來的研究中將通過短路計算，定量分析保護電壓的變化情況，以確定保護動作的精確值。