智能变电站中电子式互感器运行可靠性分析及故障预防

欧朝龙，徐先勇，万全，解玉满

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

变电站中的装置随着光电、微电子、计算机和通信技术的发展，具备了智能化、数字化和低功耗等特点，在网络通信技术的支撑下，变电站自动化技术已逐步实现了从集中控制模式向分布控制模式的发展〔1-3〕。近年来，变电站光电式互感器、智能化开关、一次运行设备在线状态检测、网络在实时系统中的应用、变电站运行操作培训仿真等技术的日趋成熟，为变电站的计量、保护、测量、信息采集、传输等实现数字化处理提供了技术基础〔4-7〕。计算机技术和光电技术的发展，使非常规互感器(电子式互感器、光电式互感器)进入了实际应用，标准体系IEC61850使得变电站自动化技术实现了新的进步。

电力设备的安全可靠运行是电力系统的基本要求之一，采用新技术的电子式电压、电流互感器的可靠性还有待进一步分析研究。而目前国内外对在运行的电子式互感器的可靠性分析研究工作还很少。文中介绍了应用于长沙110 kV曾家冲智能变电站中电子式电压、电流互感器的基本原理结构，并阐述了电子式互感器与传统互感器的区别。同时还建立了全光纤电子式电流互感器的可靠性模型，分析了电容分压电子式电压互感器可靠性运行的条件及提出了保障其可靠性运行的措施。

1 概况

曾家冲110 kV智能变电站110 kV侧的母线、主变、线路部分都采用了电子式互感器。电子式电流互感器配置在110 kV的Ⅰ线、Ⅱ线以及Ⅰ母、Ⅱ母之间母联，Ⅱ母、Ⅲ母之间母联处，主变10 kV进线处也采用电子式电流互感器，为某公司生产的全光纤型电流互感器;电子式电流互感器采用冗余配置，每个测量点均安装2组相同的全光纤电流互感器，每组电流互感器含1个独立的电流传感/采集光路，准确度为0.2 s(5TPE)级，保护、测量、计量合用。电压互感器配置:110 kV电压互感器均采用西安华伟的电容分压型电子式电压互感器，分别分布在110 kVⅠ线、Ⅱ线 (单相均为A相)，110 kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅲ母 (为三相)处。110 kV三相电子式电压互感器，准确度为0.2(3P)级，保护、测量、计量合用。2条110 kV线路A相的电子式电压互感器含1路独立输出回路，准确度为0.2级。

2 电子式互感器原理及与传统互感器的区别

2.1 全光纤电子式电流互感器基本原理

电子式电流互感器 (electronic current transformer，ECT)按照基本原理可分为:基于法拉第磁光效应的磁光玻璃电子式电流互感器和全光纤电子式电流互感器，基于法拉第电磁感应的空心线圈电子式电流互感器和低功率线圈电子式电流互感器。

从上述分类可知ECT按照法拉第磁光效应与法拉第电磁感应原理分为2类，依据法拉第磁光效应工作的ECT又称为无源式光CT，曾家冲智能变电站使用的全光纤电子式ECT即属于此类。这种全光纤电子式ECT主要由光纤传感头、光路部分、检测系统、信号处理系统等组成，如图1。三相ECT的敏感环均镶嵌于GIS内 (如图2)，光源发出圆偏振光经起偏器过滤成45°线偏振光。线偏振光通过绕制在敏感环内的光纤时受一次电流磁场影响，偏振面发生偏转，偏转角为φ。经镜面发射后，偏振光通过1/4波片发生光干涉，检偏器测量偏振光干涉程度来确认φ大小，按φ值与通过电流值的比例关系来测量一次电流。

图1 全光纤式ECT结构图

图2 GIS内镶嵌全光纤ECT敏感环示意图

2.2 电容分压电子式电压互感器基本原理

电子式电压互感器 (electronic voltage transformer，EVT)按照基本原理可分为:逆压电效应电子式电压互感器、泡克尔斯效应电子式电压互感器、电容分压电子式电压互感器和阻容分压电子式电压互感器。

EVT按技术原理可分为有源分压式和全光无源式，曾家冲智能变电站使用的EVT采用电容分压原理，其结构原理图如图3。这种EVT由电容分压器、A/D转换单元、电源、光纤组成。EVT工作时，分压电容上的小电压通过A/D转换成数字信号，再经光纤传输给合并单元。曾家冲变所用EVT主电容C1为母线与分压器内壳壁间SF6，分压电容C2为分压器内精密固体电容。电容式EVT通常都是在C2两端并联1个精密取样电阻R，分压电容的输出U2与一次侧被测电压U1的成正比关系，利用电子电路测量U2，即可得到被检测电压信号。

图3 电容分压式EVT结构原理图

2.3 电子式互感器与传统互感器区别

在电力系统中，传统互感器指电磁式电流、电压互感器及电容式电压互感器。电子式互感器与传统互感器相比较，除具有传统互感器的全部功能外，还具有以下几个特点:

1)绝缘性能好、高低压隔离，安全性高。电子式互感器的信号传输是通过光缆，从而电子式互感器实现了高低压的彻底隔离，不存在传统互感器因电缆传输存在的二次回路短路或二次开路等问题，大大提高电磁兼容性能和安全性能。

2)电子式互感器一般不用铁芯做磁耦合，因此磁饱和及铁磁谐振消除了，有很宽的动态范围，暂态响应好，提高了稳定性。

3)电子式互感器输出数字信号，不存在磁饱和的问题，在1台电子式互感器可同时满足计量、保护、测量等多方面要求，而传统互感器需计量、保护、测量等多个绕组。

4)电子式互感器的频率响应范围宽。可以对高频大电流或直流、电网电流、暂态高压电力线上的谐波等进行测量。

5)电子式互感器无铁芯，体积小、重量轻，且可将电压互感器和电流互感器组合在一起。此外，绝缘结构也简单，不会存在传统互感器因充油而存在的易燃易爆等危险。

3 电子式互感器的运行可靠性分析

电子式互感器由一次电流电压传感器、一次转换器、传输系统、二次模拟量转换器及合并单元组成。电子式互感器的一次电压传感器一般采用电阻、电容分压器，一次电流传感器一般采用罗果夫斯基线圈、低功率互感器或全光纤传感器，电流电压传感器的可靠性不比传统互感器差，而且在工况改善的基础上，电子互感器的电流电压传感器的可靠性比传统互感器还要高。电子式互感器一般通过光纤传输信息，因此不会影响到电子式互感器的失效率。

由上可知，电子式互感器的一次电流电压传感器、一次转换器、传输系统对其失效率没有影响，因此电子互感器的运行可靠性分析集中在其二次部分，文中以全光纤电子式电流互感器 (ECT)为例分析二次部分的可靠性。

全光纤ECT主要由光学电流传感部分、传输信号用光纤、光电信号处理部分、处理软件、供电电源等部分组成。全光纤ECT为串联系统，任一部分出现问题，都将导致ECT失效，只有每一组成单元都不失效，全光纤ECT才能不失效。电子式电流互感器光纤过长，在运输及现场安装过程中很容易断裂。按照串联系统可靠性模型分析可建立其可靠性模型如图4，得出的数学可靠性模型如式(1)。

图4 全光纤的可靠性结构模型

式中 λi为全光纤ECT各个单元的失效率;λECT为全光纤ECT系统的总体失效率;MTBFECT为其使用寿命。

实际现场测试和运行工作中，全光纤ECT系统发现的故障情况有:光纤发生断裂，影响到ECT不能测量;EVT在隔离刀闸带电动作时，拉合闸操作瞬态过电压感应到二次电路板，使敏感器件(运算放大器电路、A/D)和集成电路芯片因过压损坏，导致信号无输出;功率器件 (电源模块)电子元器件因发热造成工作寿命降低;环境条件(温、湿度)改变使传感器件发生变化，造成测量准确度降低;电子互感器大量数据传输和运算过程中因CPU或程序错误等造成数据丢包或乱码。

4 电子式互感器应用的故障预防措施

1)对易损坏的器件进行冗余设计。按照可靠性理论，如单台保护装置的年事故率为0.5%，采用冗余1台的设计，在理论上年事故率可以降低到0.002 5%。

2)加强二次电路的屏蔽、隔离、接地等措施。如增加EMI滤波器、改进电路板的配线与布局、增强屏蔽和接地措施等。

3)对二次电路电子元器件的质量加强控制。可通过电子元器件抽检、工厂监造、生产流程控制等加强源头的质量管理。重要电子元器件采用较高可靠性等级的，见表1。

表1 元器件失效率等级划分

4)二次电路采用低功耗设计，提高工作寿命。

5)加强软件抗干扰设计。采用插值算法、故障自诊断、数字滤波、指令冗余等软件技术。

6)采用在线分析工具进行实时监测和故障预警。

7)适当缩小现场检修试验的周期。增加预防性试验的次数和种类，及时了解电子式互感器的性能变化趋势以更换不合格的部件。

5 结论

电子式互感器是智能电网的重要设备，为了满足电网的供电可靠性，电子式互感器正常运行时的年失效率必须控制在0.2%以下。电力互感器的年失效率一般只有0.01%，二次继电保护装置可以通过冗余设计把综合可靠性提高到99.8%以上。电子式互感器由于二次电路的限制，其可靠性难以达到99.8%水平，所以有必要继续加强其运行可靠性的分析和研究工作。

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