零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统的研究与应用

广东电网有限责任公司中山供电局 袁拓来 邱天怡 李新海 范德和 舒 昶 曾令诚 刘国徽

随着电网系统多元化发展，大量的变电站10kV系统中性点接地形式由传统的不接地或经消弧线圈接地的接地方式，改造成经小电阻接地方式或消弧线圈并小电阻的接地方式，使10kV线路的零序电流由仅参与选线转换到目前直接参与到线路保护快速跳闸逻辑中，零序电流回路的重要性大大提升，也对零序电流回路的完整性提出了更高的要求。但零序电流回路在系统正常运行时无电流，在发生10kV零序电流保护电流二次回路断线时，保护无法监视、预警零序电流二次回路异常[1]。

近几年电网系统已发生多起当线路发生单相永久性接地时、因零序电流二次回路断线导致保护越级跳闸和大面积停电的事故。线路保护发生接地故障时，保护装置二次回路中的零序电流超过定值限定的电流值，保护本应该立即动作及时隔离故障，但若线路的零序电流互感器及其二次回路故障，此时保护装置无法采集线路中的电流，线路保护拒动，保护将越级跳闸，造成大面积停电，严重影响10kV电网的稳定运行。

但目前的检测方法往往需要停电检测，如文献[2]设计了一种利用一次电流检验电流互感器二次回路的方法，总结了现有变电站的电流检测方法，但这些检测方法不能在线路运行时实行，无法解决现有电网负荷量大、停电检修困难的问题，费时费力且影响供电可靠性；为了在不影响电网的正常运行的同时也可以实现对零序互感器及其二次回路的检测，一些专家和学者研究了一种不停电在线检测装置，如文献[3]设计了一种零序电流互感器不停电故障测试装置，能够实现对零序电流互感器及其二次回路不停电检测，但这类装置主要是通过人工检测，每次只能检测一个间隔，效率低、风险高，缺少对全站的实时智能监控，无法实现和其他系统的数据交互和数据反馈。

为了解决零序电流互感器及其二次回路不停电在线检测的交互性与智能化水平不高、各系统间相互独立的问题，本文设计了零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统，实现了对全站的两倍工频电流的精准输出及精确采集、光纤数据有线传输、巡检策略制定、自动生成整站检测报告等功能，有效解决了现有站内10kV间隔多、零序电流保护拒动且零序电流回路难以实时监控等难题。

1 零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统结构与功能设计

1.1 系统结构设计

零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统主要由两倍工频电流综合处理装置、光纤有线数据传输、智能终端、保护装置、后台智能主站等部分组成，如图1所示。变电站10kV电网每个线路间隔都配置了零序电流互感器，线路正常运行时三相电流平衡，零序电流互感器一次侧零序电流为0，此时保护装置采集的二次电流也为0。若在10kV间隔线路零序电流互感器一次侧输出一个较大的高频电流时，可在线路正常运行的情况下模拟升流试验，实现了零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测[4]。

图1 零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统接线图

两倍工频电流综合处理装置。该系统为了保障两倍工频电流的稳定输出、采集，设计了集告警、应用于一体的两倍工频电流综合处理单元，固定安装在各个间隔的零序电流互感器侧，该装置实现了输出两倍工频电流和采集输出的零序电流互感器一次电流，并能够接收终端系统的指令。

数据传输。两倍工频电流综合处理装置与智能终端之间距离较远，为了更好的实现远距离传输数据，该系统通过交换机和光纤有线传输实现了两倍工频电流综合处理装置和智能终端之间的数据交互。同时该系统通过正向隔离装置和反向隔离装置与自动化通讯系统和自动化告警系统实现不同安全区域之间的数据交互。

智能终端。该系统智能终端可根据变电站的实际情况设定巡检策略，确定待巡检间隔，并采集该间隔两倍工频电流综合处理装置输出的一次电流和保护装置经电缆传输的二次电流，计算零序电流互感器实际变比并生成智能检测报告，根据检测报告进行智能诊断，并在零序电流互感器及其二次回路存在异常时及时告警。

1.2 系统功能设计

零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统的工作流程图如图2所示。智能在线检测系统的智能终端设置的巡检模式按变电站的检修计划分为手动巡检、周期巡检、自定义巡检等不同优先级，并将巡检指令通过光纤有线传输装置发送至巡检任务中相应线路间隔的两倍工频电流综合处理装置[5]。两倍工频电流综合处理装置接收到检测信号后向零序电流互感器输出100Hz的高频电流，并对零序电流互感器一次回路中的电流进行采集和综合处理，判断两倍工频处理装置是否运行良好，同时两倍工频处理装置将输出的一次高频电流值经A/D转换后传送给智能终端。二次电流由零序电流互感器的二次回路流入到保护装置，再由保护装置经电缆至智能终端，智能终端结合一次电流、二次电流、保护限定的变比综合判断线路间隔的零序电流互感器及其二次回路情况并生成巡检报告。

图2 零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统的工作流程图

该系统主要实现以下功能：

智能终端多元化巡检功能。其主要针对变电站线路间隔负荷量大、难停电、待检修间隔多，因此根据变电站线路间隔负荷量情况制定一套智能、灵活的检修计划。负荷量大的线路间隔设置的优先级高，负荷量低的间隔设置的优先级低，根据检修计划的优先级制定定期巡检策略，设置检修线路和检修时间，在遇到现场工作需要和突发情况需要立即对零序电流互感器及其二次回路检测时，可自定义设置手动巡检，确认好巡检线路及巡检时间后，智能终端将发送巡检指令给两倍频电流综合处理装置，实现智能检测[6]。

两倍工频电流智能管理功能。两倍工频电流的生成、传输、采集、置检等功能是由两倍工频电流综合处理装置实现的，它包含了电流产生模块1、电流采集模块2、数据处理器3、通讯及告警模块4的4个部分。在数据处理器3接收到检测信号后，控制电流产生模块1输出100Hz高频电流，此高频电流经零序电流互感器T1流入一次电流回路，电流采集模块2实时采集装置输出给零序电流互感器的高频电流并经A/D转换后将数据发送至数据处理器3，在数据处理器3进行装置的校验，确认电流产生模块1输出的电流和电流采集模块2采集的电流在误差允许范围内是否相等（允许误差≤0.5%），若输出和采集的电流值在误差允许的范围内相等，则装置运行良好，将装置输出给零序电流互感器的一次电流值传输至智能终端，若是不相等则通讯及告警模块4接收到数据处理器3的异常信号，变电站现场立即告警响应，并将异常信号传输给智能终端[7-8]。

智能诊断功能。两倍工频电流综合处理装置输出100Hz的高频电流时，经零序电流互感器二次回路流入保护装置的端子排，再由保护装置流出后经电缆流入到智能终端，在智能终端A/D转换后得到该线路间隔的二次电流值，再与该间隔的高频一次电流值进行变比计算，计算出间隔线路的测量变比，判断间隔线路的测量变比和保护定值限定的变比在误差允许范围内是否相等（允许误差≤0.5%），若是相等则智能终端输出检测报告，反馈检测正常，信号复归，回到初始状态；若不相等则智能终端反馈结果不正常，并向测控告警系统发送硬接点告警信号，点亮本装置的告警指示灯，并通知变电站管理人员零序电流互感器及其二次回路存在异常，需立即处理[9]。

2 零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统关键技术

2.1 在线检测系统的智能终端

零序电流互感器及其二次回路不停电智能检测系统的智能终端运行结构图如3所示，主要由交流电流采集模块1、交流电流采集模块2、数据综合处理模块、人机交互模块、通讯及告警模块、数据交互模块、电源模块等部分组成。

图3 零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统的智能终端运行结构图

零序电流互感器及其二次回路不停电智能检测系统的智能终端运行原理如下：

电流采集模块：交流采集模块1采集来自工频电流综合处理装置经光纤线路流入的一次电流，交流采集模块2采集来自10kV保护装置经电缆线路流入的二次电流，并分别将数据信息传输给数据综合处理器。

数据综合处理模块：将采集来的数据进行变比运算、智能判断、自动录入并生成整站检测报告，并将数据传输至人机交互模块、数据交互模块、通讯及告警模块。

人机交互模块：可以根据变电站实际情况设置巡检模式、制定周期巡检时间、计划定期巡检和特殊特巡。通过周期巡检确认在周期时间内的零序电流互感器变比及其二次回路情况，保持周期巡检数据作为历史数据，在执行特殊任务和定检计划下，需要确认零序电流互感器及其二次回路情况时，进行定期巡检和特殊巡检，多次测量后将相关变比、巡检时间（精确到秒）等数据传输给数据综合处理模块。

数据交互模块：通过防火墙与生产系统进行数据交互，同时对数据综合处理模块生成的巡检报告进行信息判别，并将与作业相关的数据信息传送给生产系统，在保护定检、设备试验时提供有利的数据支持。

通讯及告警模块：在接收到数据综合处理模块发出的告警指令后立即告警响应，并将告警信息通过硬结点反馈给厂站综合自动化通信系统、测控告警系统，提醒变电运行人员及时发现零序电流互感器变比失准、二次回路接触不良或开路等缺陷，并及时安排消缺，排除安全隐患。

2.2 两倍工频电流综合处理技术

为了实现可以对变电站任一间隔线路进行高频电流升流试验在每个线路间隔的零序电流互感器旁安装两倍工频电流综合处理装置，并将装置的升流线固定安装在零序电流互感器内。两倍工频电流综合装置的原理图如图4所示，装置内的各个模块之间通过射频信号进行数据传输，并将数据信息汇总到数据处理模块进行综合分析[10]。该装置可实现两倍工频电流的精准输出及精确采集，其技术特点如下：

图4 两倍工频电流综合处理装置原理图

两倍工频电流发生技术。两倍工频电流产生模块接受数据处理模块的控制命令，输出相应的电流集成应用于小信号电流熔断器并发生、输出两倍工频电流。采用两倍工频电流发生技术是为确保设备正常运行，两倍工频电流即100Hz电流，由于微机保护采样板配置了模拟低通滤波器(ALF)，该电流输入至10kV保护装置时可被保护装置滤波屏蔽，确保检测零序电流互感器及其二次回路时不影响10kV保护装置零序电流保护正常运行[10-11]。

输出限流技术。两倍工频电流综合处理装置配有输出限流功能，同时将电流采集模块采集的电流值与设定限流定值比较，当采集电流值比限流定值大时立即闭锁装置电流输出并告警响应，在升流试验时，设置输出的两倍工频电流允许的最大值为15A，远小于10kV间隔零序电流保护60A～75A(一次值)的定值，有效避免零序电流互感器升流时低通滤波器故障导致的零序电流保护误动。限制电流的大小小于零序过流保护的一次定值，将不会影响到原保护，防止保护因加量导致的保护拒动或则勿动的风险[12]。

基于霍尔元件的电流采集技术。电流采集模块基于霍尔元件采集零序电流互感器电流，电流采样相对误差≤0.5%，量程一般为0.0～20A，实现了两倍工频电流的精准输出及精确采集。

2.3 智能检测技术

智能检测技术需要对全站的数据进行实时智能监控和采集，各个线路间隔的两倍工频电流综合处理装置可以对零序互感器传输两倍工频电流，此时一次侧的电流可通过光纤线路经高压室的光交换机传送给系统智能终端，同时在升流时零序互感器二次电流经电流回路至保护装置，保护装置输出的二次电流经电缆传输至智能终端[13-14]。

系统智能终端将收集到全站各个间隔的信息进行数据综合处理，可根据一次电流及二次电流的采样值，采集判别完成零序电流互感器变比核算：

N1=I1/I2(N1是变比，I1是一次电流，I2是二次电流），自动完成零序电流互感器变比计算，判断各个间隔终端的零序电流互感器变比与保护定值变比在误差范围内是否相等（允许误差≤0.5%），若相等则零序电流互感器及其二次回路运行正常，若变比不相等或误差较大则零序电流互感器及其二次回路可能存在故障和异常状况，需立即检修。同时，智能检测采用闭环反馈技术，当变比不相等或误差较大时智能终端发送闭锁指令，立即闭锁电流输出装置，确保零序电流互感器不停电升流工作的安全可靠。

检测完毕后智能终端可自动生成检测报告，并将生成的EXCEL报告传输给生产系统，以便在设备定检、试验和故障检查时提供有利的数据支持。定期汇总各个间隔的检测结果，将数据报告进行横向比较，并通过周期性的多次试验对各间隔数据进行纵向比较、综合分析，检查横向比较和纵向比较的结果有没有大的数据波动。一旦出现大的数据异常将及时告警响应，保证实时智能监测零序电流互感器及其二次回路的健康状况。智能终端生成的检测报告如表1所示，显示测试报告编号、测试时间、线路编号、额定变比、一次实测值、二次实测值、实测频率、实测变比、误差、结论，最终得出10kV零序电流互感器及其二次回路检测的合格线路与不合格线路。

表1 电气检测报告

智能终端配有历史报告查询功能，可存储100组检测报告，通过所述智能终端的触摸屏数据查询菜单即可完成历史数据查询及信息传递功能[15]。

3 实例应用

本文研制的零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统在某变电站进行试运行，图5为变电站现场零序电流互感器及其二次回路不停电智能在线检测系统运行示意图。

图5 变电站在线检测系统运行示意图

系统的两倍工频电流综合处理装置固定配置在全站每个10kV线路间隔，该变电站10kV线路间隔零序电流一次保护定值Id已整定为60～75A，因此设置系统输出的两倍工频电流值最大不超过15A，在对10kV间隔进行一次升流试验时，智能终端限制电流输出值只能设定任意小于15A的电流值，保障输出的电流远小于零序电流保护定值的电流。变电站内厂家的10kV保护装置零序电流保护采样模块已配置滤波功能，只采集工频电流值作为零序电流保护的幅值判据，同时系统应用小信号电流熔断器精准输出两倍工频电流，并配置输出限流技术，有效避免零序电流互感器升流时零序电流保护误动。

系统的智能终端根据变电站的实际情况设定巡检策略进行智能监测、周期巡检、自定义特巡，通过智能终端和各个间隔的两倍工频电流综合处理装置，实现了对全站多个间隔的数据进行采集，可及时发现零序电流互感器变比失准、二次回路接触不良或开路等缺陷，智能终端与测控告警系统、自动化通信系统通过正反向隔离装置进行数据交换，一旦发现缺陷则立即异常告警，预警变电运行部门及时安排消缺，排除安全隐患。

4 结语

本文集成应用两倍工频电流综合管理技术、在线智能检测技术和智能终端巡检技术等关键技术，研制了零序电流互感器及其二次回路不停电在线检测系统，通过光纤线路的数据传输、智能终端的综合管理，实现了对10kV电网线路间隔零序互感器及其二次回路的实时监控、检测、诊断，降低了线路间隔零序互感器及其二次回路在运行时故障的风险，防止了线路间隔的越级跳闸以及扩大保护范围，保障了人身安全。该系统可及时发零序电流互感器及其二次回路状态隐患并预警通知运维人员检查消缺，确保了10kV电网线路间隔安全可靠运行，有效提升了变电站设备智能运维技术水平。