一種裝配式電能計量模塊故障在線自檢裝置研究

賀小明，李 華，王思民，殷 杰，李玉芬，惠 杰

（1.南京科技職業學院，南京 210048；2.國網宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800；3.南京成瑞科技有限責任公司，南京 210003）

目前，我國10 kV配電專變客戶電能計量裝置安裝大多要經歷互感器安裝、熔斷器安裝、二次回路線安裝、計量裝置的封印及通電檢查各項參數等多個工序，過程繁瑣效率低下，接線的準確性難以保證。為響應國網公司提出的一、二次融合技術導向，將互感器、電能表、二次導線集成一體化的計量模塊已逐漸出現，但這種模塊的主要部件互感器、二次回路的接線準確和可靠性等因素不能像以往通過外觀來檢查，故障和非正常運行狀態不能提示和預警。隨著我國電能計量管理信息化技術的革新，電能計量管理模式逐漸由定期檢修轉變為狀態檢修管理模式[1]。為此本文對基于裝配式電能計量模塊故障在線自檢裝置進行了研究，分析電能計量模塊可能存在的故障信息，并構建一種自檢裝置的硬件配置和軟件流程。

1 裝配式計量模塊故障類型

10 kV高壓電能計量裝置是由電壓互感器、電流互感器和低壓電能表這些分離部件組合而成[2]，包括其專用的接線端子排、端子盒、二次線等部件。一體化的計量模塊是將全部或部分部件組合成一體，能夠簡化安裝接線和換表等工序，提高計量整體可靠性的一種模塊。一體化模塊根據電壓、電流互感器組合的形式可分為單相、三相二元件、三相三元件3種類型。對于負荷均衡、負荷率高、負荷變動不大的企業配電專變往往采用高供高計方式，且互感器組合形式為三相二元件方式，如圖1所示。

圖1 單變比兩元件組合方式

三相三線計量方式不僅能正確計量高壓用戶在對稱負載時的實際用電量，也可準確計量不同負載情況下的實際用電量[3]，即負載的波動并不影響正常的電能計量。但在計量裝置發生故障時情況不一樣。實際運行數據表明，電能計量裝置中的互感器和二次回路是引起計量誤差變化的重要因素[4]。計量裝置故障包括電能表故障、互感器一次回路故障、互感器二次回路故障等。電能表可通過定期校表保證其準確性，電壓互感器一次和二次回路開路可通過有無對應電壓來進行判別，電壓互感器電壓回路短路有熔斷器進行保護動作，由于電壓二次回路接觸不良造成計量電壓偏低，采用和正常一次電壓進行比較，這些故障檢測起來比較容易實現。

電流互感器一次發生開路故障時二次無電流，負載也無電流，不影響計量；當電流一次繞組發生短接故障則二次無電流，負載有正常電流，影響計量；若電流二次回路開路（避免發生），則電流互感器勵磁磁路飽和，計量誤差大，且二次繞組會產生危險的電壓危及設備和人身安全。

電流互感器在接線或運行時引起的二次電流回路反接、二次相間短路、二次負載超限或匝間短路故障，均會引起計量誤差，但這種故障發生時往往沒有預警提醒，不像計量模塊外部故障如短路、斷路等引起的計量超差或超限那樣，可以通過保護告警裝置提示工作人員去消除恢復后可正常運行，所以需要對計量模塊內部可能的故障進行分析，并構建一種故障自檢模塊進行在線檢測，如有計量超差超限則發出警告并提示相關信息。

2 裝配式計量模塊的故障分析

2.1 電流互感器二次側相間短路和反接故障

負載正常時CT各相繞組的電壓電流滿足關系，即

式中：φa、φb、φc為對應線電壓與電流的相位差，由于

對于兩元件組合方式，有

這時電能表正常計量。當電流互感器二次側發生相間短路時，流入A、C相電能表電流線圈的電流矢量和為。流入A、C相電能表電流均為，電流大小為I，與Uab相位差30°－φa，與Ucb相位差30°+φc，則式（4）表明電能表電能計量將減少變慢。

當發生電流互感器二次側反接時，假設A相反接，則流入A相電能表電流線圈的電流與Uab相位差150°-φa，則

2.2 CT二次匝間短路故障

對于電磁式電流互感器，假設二次短路匝數為nN2，Ik為二次短路線圈的短路電流，n為短路閘數與二次總匝數的占比，如圖2所示；Z1、Z2為CT一次繞組阻抗和二次繞組阻抗，Zk′為短路繞組折算到二次繞組的阻抗值，ZS為二次回路導線阻抗，Zkwh為電能表輸入阻抗，CT二次繞組匝間短路時折算到二次等效電路如圖3所示。

圖2 CT二次繞組匝間短路結構圖

圖3 CT二次繞組匝間短路折算到二次等效電路

其中

在CT磁路未進入過激飽和狀態下忽略勵磁分支的影響，有I1′＝Ik′+I2，綜合式（6）—（10）可得

由式（11）可以看出在故障相保證二次回路導線阻抗ZS和電能表輸入阻抗Zkwh不變時，一次電流和二次電流有一定的關系。只要n不是很小，由閘間短路引起的一、二次電流變化處于互感器精度誤差范圍之外，那么就可以通過式（11）來辨別閘間短路故障。對于電磁式電流互感器，如果A相二次繞組發生匝間短路，實驗數據表明，故障相A相的原邊端口電流波形比正常運行時有所上升，副邊端口電流波形有所下降，而非故障相B相和C相的原副邊電流波形與正常運行時沒有明顯變化[5]。則可以通過檢測一次和二次電流變化及相互關系來判斷是否發生匝間短路，這要求增加一次電流的檢測電路。

2.3 基于CT二次回路阻抗的故障分析

電流互感器的二次導線和二次負載的變化會影響互感器實際二次負荷，從而影響電能表的計量準確性。穩定狀態下影響電流互感器誤差的主要因素有2個：一是二次線圈阻抗及負載阻抗；二是鐵芯材料及制造工藝相關的參數，并且線圈及負載阻抗與電流互感器的誤差成正比關系[6]?？紤]到電磁式互感器可用T型電路模型來表示，電流互感器的比差fⅠ和角差δⅠ分別為[7]

式中：Im為互感器勵磁電流，I1為一次電流，θ0為互感器主磁通滯后勵磁電流的角度，φ為互感器二次回路電壓U2滯后二次繞組電動勢E2角度，勵磁導納Ym=Im/U2。對于確定的互感器，Ym、θ0與二次回路導納和二次電壓無關。由于電流互感器在磁路未飽和時，二次電流的輸出不受二次負載的影響，勵磁電壓隨二次負載變化而線性變化。當二次負載超過一定值，二次勵磁電壓將躍過拐點進入非線性特性曲線區域，計量誤差明顯增大。故影響二次回路等效阻抗（等效導納）的主要因素是二次回路總負載阻抗和互感器本身勵磁特性。對于互感器勵磁特性廠家出廠時已有確定參數曲線，而二次回路總負載阻抗如何變化則是需要進一步分析和特征提取。

正常狀態時把電流互感器一次參數折算到二次側，假設電流互感器電流比為N2/N1，一次電流為I1，一次繞組阻抗為Z1，勵磁阻抗為Zm，二次電流為I2，二次繞組阻抗為Z2，二次回路導線阻抗為ZS，電能表輸入阻抗為Zkwh，Z1′為Z1折算到二次側的值，ZL′為一次負載折算到二次繞組的值，RK′為一次短路線電阻折算到二次繞組的值。電流互感器非正常狀態折算到二次側的等效電路如圖4所示，其中圖4中（a）為電流互感器一次繞組側發生短接故障時的等效電路，（b）為電流互感器二次繞組側發生短接故障時的等效電路,（c）為計量表端短接時的等效電路，（d）為電流互感器二次開路故障時的等效電路。

對于圖4（a）電流互感器一次繞組短接，從二次繞組看去等效阻抗為Z′＝[ZL′//RK′+Z1′]//Zm+Z2+ZS+Zkwh，對于圖4（b）電流互感器二次繞組短接，從二次繞組看去等效阻抗為:Z′＝[（ZL′＋Z1′）//Zm+Z2]//RK+ZS+Zkwh，對于圖4（c）電表端電流短接，從二次繞組看去等效阻抗為:Z′＝[（ZL′＋Z1′）//Zm+Z2]+ZS+Zkwh//RK，對于圖4（d）Z′=∞。這幾種故障下各自從二次側看進去的等效阻抗（對應等效導納）均不相同，如果在已知互感器正常工作情況下的勵磁特性曲線參數，那么這幾種故障就可以通過附加的檢測電路來實現非正常計量狀態的判斷。

圖4 電流互感器非正常狀態折算到二次側的等效電路

3 計量模塊的故障自檢系統配置

通過以上分析，考慮到計量模塊的故障和非正常狀態，均會造成計量的不準確或事故，為此設計一種計量模塊的故障自檢系統，自檢系統要求增加一次電流檢測和二次電流檢測，為了不影響原先計量回路的精度，計量CT采用雙線圈輸出方式，其中N2為計量輸出線圈，N3為增加的一次電流檢測線圈。在二次回路中增加二次電流檢測CT、調制信號CT和調制信號檢測CT，并將其一起和原有計量模塊封裝在一起。計量模塊的自檢系統配置如圖5所示。

圖5 計量模塊的自檢系統配置圖

如果通過計量CT的N2和N3線圈輸出電流對比判斷計量二次電流在非正常狀態下，則啟動調制信號，通過調制信號CT注入特定電流到二次回路中，由調制信號檢測CT檢測二次回路中的電流，通過信號前端電路、信號濾波電路、調制交流采樣接口等電路送到處理器進行二次回路的阻抗計算，判斷回路的狀態情況，其中U2a為從計量PT上取得電壓，I3a為N3線圈輸出電流，I′2a為二次電流檢測CT二次輸出電流。其回路狀態自檢原理示意如圖6所示。

圖6 計量回路狀態的自檢示意圖

4 計量模塊故障在線自檢判斷流程圖

自檢程序要判斷的故障或非正常狀態，按循環方式判斷是否處于斷相、失壓、電壓回路壓降過低、電流二次相間短接、電流二次反接和二次閘間短路等故障狀態，在二次電壓正常但二次電流異常低于下限值時啟動調制信號注入二次回路，進行二次回路狀態判斷和回路阻抗（導納）分析。計量模塊故障在線自檢判斷流程如圖7所示。

圖7 計量模塊故障在線自檢判斷流程圖

5 結束語

本文針對將互感器、電能表、二次導線等一體化的裝配式計量模塊，從模塊互感器一次和二次故障，以及在非正常計量情況下的電流電壓、二次等效阻抗等特征參數進行了分析，給出了一種在常規計量回路中計量CT采用雙線圈方式，通過增加二次電流檢測CT、調制信號CT和調制信號檢測CT的計量自檢方案。同時闡述了自檢方案的基本原理，利用在發現電流電壓回路異常時，啟動調制信號疊加在二次回路上，并通過提取調制后的二次信號來判斷二次回路的工作狀態。最后給出了計量模塊二次回路狀態判斷流程圖。