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变电站用电流互感器在线校准系统的研制
research on the on-line calibration technology for power instrument transformers.pdf
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research on the on-line calibration technology for power instrument transformers.pdf
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第 50 卷总第 576 期电测与仪表 Vol.50 No.576
2013 年第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec. 2013
变电站用电流互感器在线校准系统的研制
李鹤,李前,胡浩亮,熊前柱,李登云,杨春燕
(中国电力科学研究院,武汉 430074)
摘要:针对长期以来,以常规检定方法,必须电流互感器离线才能检定,且检定工作量很大、耗时多,甚至受条件
制约无法检定的不足,研发出一种变电站用电流互感器在线校准系统。阐述了构成该校准系统的主要功能单元
即电子式开口双级电流互感器和误差测量装置的结构特点、实现方案、以及性能测试结果;并给出了对其整个
系统进行的模拟试验和在某110kV变电站现场进行电流互感器校准的试验测试数据。结果表明,该系统可实现
变电站电流互感器的在线校准,能准确评估电流互感器实际运行状态下的误差性能。
关键词:变电站;电流互感器;误差;在线校准;标准器;开口式;带电接入
中图分类号:TM452 文献标识码:B 文章编号:13)12-0005-04
Research on the On-Line Calibration Technology for Power Instrument
Transformers
LI He, LI Qian, HU Hao-liang, XIONG Qian-zhu, LI Deng-yun, YANG Chun-yan
(China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)
Abstract:The transformers need to be taken out of service from the power system to carry out the calibration test
according to the traditional method. It’s a hard, time -consuming work, and some transformers even can’t be in
outage. A current transformer in substation on -line calibration system is developed. This paper describes the
structure, principle and test results of the main parts of the system, including clamp -type electronic current
transformer and error measurement device. A simulation test is designed to verify the measurement performance of
the system in high voltage. The on-line calibration test for the current transformer in an 110kV substation using this
system is carried out essfully. The results show that the system can be used to accurately evaluate the error
characteristics of the current transformers in its actual working condition, avoiding the service outage of the lines.
Key words:substation, current transformer, error, on-line calibration, standard device, clamp-type, live insertion
0 引言程,故称其为校准),是一种全新的电流互感器误差特
电流互感器作为关口电能计量装置的重要组成性保证方案,它可在线路不停电情况下对电流互感器
部分,其误差性能关系到电能计量的准确性。研究表的误差特性进行核查,将可能带来电流互感器检定工
明,电磁式电流互感器的老化、剩磁、二次负荷变化等作的变革。
因素,会使其误差可能超差。为实现对电流互感器的不停电校准,2005年,德、
根据现行的电力互感器国家计量检定规程,电网美和意大利等国先后研发出准确度可达0.1级的开口
[3] 式Rogowski线圈,用其作为电流标准器,采用人工带
中关口电能计量用电流互感器必须定期进行检定。
电作业方式接入带有被校电流互感器的供电系统。在
根据常规的检定方法,需要将运行中的电流互感器离
国内,华中科技大学与河南电力试验研究院联合研制
线处置后,才能对其实施检定。然而实际上,有的在线
出了电流互感器在线校准系统,其中,也是采用开口
运行的电流互感器根本无法停电,否则将影响生产和[5]
生活的供电;且有的供电线路尽管可以停电,但将电式Rogowski线圈作为电流标准器。再有,上海电力公
流互感器做离线检定的工作量很大,耗时很长。司应用Alstom公司研发的NXCT-F3型光纤电流互感
对电流互感器进行在线校准(因暂无在线检定规器,也开展了电流互感器在线校准,其中电流标准器
第 50 卷总第 576 期电测与仪表 Vol.50 No.576
2013 年第 12 期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec. 2013
的准确度达到0.04%。但上海电力公司的技术方案是
将传感光纤缠绕于GIS出线套管根部, 校准装置只能
工作于地电位,且对其测量准确度是否不会受温度等
其他因素影响,还并未经可靠的试验验证。
本文作者新近研发出的110kV变电站用电流互
感器在线校准系统,采用0.01级电子式开口双级电流
互感器作电流标准器,经试验验证,其整体测量准确
图 2 开口电子式双级电流互感器原理图
度达0.05级,完全满足对0.2级电力电流互感器进行校
Fig.2 Schematic diagram of the clamp-type electronic
准中作为标准的要求。
current transformer
1 系统研制
立工作磁通,该磁通在二次绕组Ns中感应出二次电流
本文作者研发的电流互感器在线校准装置的工
I 。利用运放输入端口具有的虚短特性,检测绕组N 两
作原理如图1所示, 它主要由电流标准器和误差测量 s d
端的电压近似为0,亦即铁心C 内的磁通
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> 智能电网、电子式互感器、电力一次设备三者在线监测
智能电网、电子式互感器、电力一次设备三者在线监测
1.的发展本文引用地址：1. 1 《美国复苏与再投资法案》日美国总统奥巴马签署了2009年《美国复苏与再投资法案》(American Recovery and Reinvestment Act&ARRA)。此法案规定拨款给美国能源部(Department of Energy-DOE)来支持研发(smart grid)的经费和示范工程，美国能源部即于日公布了《基金机遇通告》(FOA，(Funding Opportunity Announcementr))，将示范工程规定如下：①地区示范&&核实智能电网技术生存能力和确认智能电网的商务模型。②公司电能储存示范&&测试费用和收益，检验各种电能储存方法的技术性能，如新型电池、特殊电容器、飞轮、风与光电组合以及压缩空气能量系统等。③同步相量测量示范-建立广域信息网络(即相量测量装置PMU/广域测量系统WAMS)来调度和规划系统。美国能源部统计，通过对美国电网的智能化改造，预计未来20年内可节省投资近千亿美元。智能电网技术革新将打开电信、电网、电视网等整合的通道，为全球、电信产业、通信产业、电视媒体等的改革提供独特的机遇。1.2 中国智能电网的研发日举行的&2009特高压输电技术国际会议&上，国家电网公司总经理刘振亚表示，积极发展智能电网已成为世界电力发展的新趋势，到2020年，中国将全面建成统一的坚强智能电网。我国国家电网结合基本国情和特高压实践，确立了加快建设坚强智能电网的发展目标，即加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。国网公司将按照统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进的原则，在加快建设由1000kV交流和&800kV、&1000kV直流构成的特高压骨干网架，实现各级电网协调发展的同时，分阶段推进坚强智能电网发展。按照规划，国家电网公司的智能电网建设将分3阶段：在2010年之前完成规划与试点工作;在年大面积推开;到2020年，全面建成统一的坚强智能电网。2.坚强智能电网与及电力一次在线监测2.1自愈性智能电网(Self-Healing Smart Grid)目前各大国都逐步建立了特大电网，为保证电网的安全运行，美国、欧盟、俄罗斯、日本、巴西等国先后都在进行智能电网的研究。我国特高压骨干网架将由1000kV级交流输电网和&800kV、&1000kV直流直流系统构成。我国地域辽阔，各大区电网互联，大量的西电东送，使国家大电网跨越了几个时区。为保证电网的安全、稳定、可靠运行，对智能电网的研发，则是急迫和至关重要的任务。由于这种跨越几个时区的特大电网存在大面积停电的危险，而这种危险大多涉及调度员处理是否得当的人为因素，如2003年 &8.14&美加大停电事故。为解决此问题，美国电力研究院(EPRI)最先提出以相量测量装置PMU，Phasor Measurement Unit)/广域测量系统(WAMS，Wide Area Measurement System)为基础的突出自愈功能的智能电网概念。它要求对电网节点的电压相角测量快速而准确。20世纪80年代同步相量测量的研究在美国已经开始，并成为广域测量系统的一部分。1996年夏季美国两次大停电事故中，WAMS进行了较全面准确的记录。1997年法国电力公司(EDF，Electric de France)也建设了基于PMU的协调防御控制系统。但是系统动作响应时间却很长，达到1.03s。2003年&8.14& 美加大停电事故更推进了WAMS的建设。只要在全网PMU合理化布点的基础上(满足可观测性)，就可对现代化大电网进行静态功角稳定裕度监视;在线扰动识别;分析电网的短路故障、机组振荡与失步和系统电压失稳等;利用实时联络线功率和相对相角等参量的频谱特性(特征频率以及对应的衰减因子)识别系统低频振荡;在系统发生扰动时，实时监视机组间相对功角的暂态过程;进行发电机组进相运行监测;电压动态过程监测与动态稳定预报。以及实现暂态稳定监控等。为此， 在PMU /WAMS的基础上就能实现包括暂态稳定性、电压稳定性和频率稳定性在内的动态安全评估。当电网出现危机之前就能立即提出网络重构、调整保护定值和稳定补救等安全对策。[1]文献[1]指出，电网自愈功能的目标是：&实时评价电力系统行为，应对电力系统可能发生的各种事件组合、防止大面积停电，并快速从紧急状态恢复到正常状态。其实现方法，可概括为快速仿真决策、协调/自适应控制和分布能源(DER, Distributed Energy Resource)集成等3个方面。&2.2(1)自愈性智能电网对的要求自愈性智能电网要求高速和高准确度的PMU，这样才能高准确度进行电网运行参数(如I、&I、 U、&U、cos&、f、P、Q )的测量, 监控电网的运行。目前常规电磁式电流互感器铁芯在电力系统故障状态下的铁芯饱和及磁滞回线，会引起电流测量极其不准确。从而使PMU/ WAMS的测量也不准确，严重威胁现代化电网的安全稳定运行，增加了继保装置的复杂性;抗电磁干扰能力减弱;绝缘技术、体积、质量和价格都随电压等级的升高而越来越大;运输、安装和维护困难;量测受频率影响;变电站占地大，成本高等。为此，有必要研发能克服上述缺点并满足智能电网要求的新型电子式电流互感器。这种新型电子式电流互感器要求既快速又高度准确，并将为现代化大电网的安全可靠和经济运行提供关键的基础。它也是电力一次、二次的完美结合，解决了电网自动化发展的&瓶颈&。现代化大电网的安全稳定控制技术也急需满足要求的电子式互感器的出现。因此电子式互感器不是一般的对电磁式互感器的升级换代，而是现代化大电网安全稳定运行的需求。电网的安全运行要求电力安全可靠。而据统计，电网中的电力设备平均每年有1/3的事故都是因为互感器所致，如雷电季节，打雷或闪电都有可能导致互感器爆炸或燃烧。电子式互感器的使用将大大减少这方面的事故。电子式互感器是电网一次的重要主设备，它们担负着电网的精确&测量和计量&，以及故障&监测&的作用。要求量测的电网运行参数高度精确;装置本身应具有相当的可靠性。它是为智能电网、数字化继电保护、电网实时PMU、WAMS、电网快速状态估计、电网暂态稳定监控、特高压输电线路的电晕测量、电网实时经济调度、谐波在电网中的应用、电网输电阻塞的缓解(美国)、解决输电走廊问题的分相输电技术、实现准确的故障测距和紧凑型一次智能设备等提供可靠保证。对现代电网运行和设备革命发挥重要的作用。因此，要求它必须具有高准确性、快速数据传输的高性能。(2)电子式互感器的国际标准和国家标准国际电工委员会和国内标准化组织近年来也相应颁布了有关协议和标准以作为指导。IEC61850协议是变电站自动化系统建设的依据。完全符合IEC61850协议的一次和二次数字化设备的研制和产品化是建设智能电网的坚实基础。IEC 规定了变电站内智能电子设备(IED，Intelligent Electronic Device)的同步标准以及电力系统有关参数值的指标，是变电站自动化系统的设计，电子式互感器及IED的性能研制和生产以及电力部门招标必须依据的标准。IEC标准也是电子式互感器制造检测和招标应遵循的标准。我国于2007年1月正式颁布等同于IEC的国家标准 GT，并于日起实施。[3]⑴根据国际标准IEC的要求，电子式互感器需为各种智能IED提供高准确度的电流I和电压U，其数据采样率必须&12000次/s，三相同步时间应为&1&s。[3]，[4]⑵PMU与WAMS的连接应满足IEEE 37.118的准确性标准(1级)并对数据传输使用IEEE 37.118标准。 要求PMU的数据采样率&12000次/s，测量频率的绝对准确度为& 1 mHz，绝对相角准确度为& 0.02度，时间准确度为& 1 &s。数据传输率为50/60 Hz。要达到此要求，提供给PMU和WAMS原始数据的电子式互感器对I、U的测量准确度应小于0.2%, 三相同步时间为& 1 &s，相位移应满足IEC的要求。[3]⑶IEC对以太网物理层传输速率的要求电子式互感器的综合单元对保护、测量等IED的输出传输速率应与IED的采样率匹配。根据IEC的规定：保护装置IED的采样率为480、960和1920次/s;测量仪表的IED采样率为和12000次/s。IEC规定：电子式电流/电压互感器的综合单元对保护、测量等IED的输出传输速率应与IED的采样率匹配。[3]，[5]2.3 电力一次设备在线监测对坚强智能电网的作用目前，大电网的安全防护已与涉及自然和社会因素的灾害防护紧密相连，因此大电网的安全防护受到了美国白宫科技政策办公室和美国国内安全部的重视。美国政府已于2007年通过了《能源独立和安全法规(Energy Independence and Security Act)》, 有专门一章就是智能电网。[2]参考文献[2]在解释智能电网的具体内容时指出：&在输电的每个元件(如开关、变压器等)、每个变电站和发电厂中皆设置一个具有坚强的操作系统独立的处理器(processor)，也可用作独立的代理器(agent)，在这些处理器或代理器之间能进行双向快速通信，从而形成一个巨大的分布式平台。每个代理器必须与相应元部件的传感器连接，以评估其运行状况，并用高速宽带光纤通信系统将传感器的数据传送到其它处理器(代理器)，各处的代理器既是独立动作的，又是彼此通信互连的，可以进行协调控制。&智能电网的自愈控制是在事故影响电网之前就从本地或局部地区对事故进行处理后，从而达到自愈的效果。由此可见，电力一次设备的在线安全监测装置就是智能电网实现自愈控制的智能代理器最基础部分。电力一次设备的在线安全监测装置最初是为了对一次设备进行常规诊断，后来实现状态检修，以代替传统的计划检修。当然，目前的在线安全监测，还不是实时的在线监测。在此基础上，若状态监测的可信度大大提高，并加快对设备状态的监测频率，就可逐步成为自愈智能电网的智能代理器。这样，当新型的传感器、在线监测装置和执行机构研制出来后就可形成智能代理器，从而加强电网的自适应和重组控制能力。智能电网的智能代理器要求新型传感器对电网运行参数的测量速度和高准确度与对电子式互感器的要求应是一致的，甚至对某些数据的测量准确度的要求更高，如对电晕损失的测量,其采样率最好采用250k次/s，相当每周期(50Hz)采样5000次。在线监测装置主要是监测电容型设备的介质损耗，电容及其变化量，泄漏电流及其变化量，不平衡电压，避雷器的全电流和阻性电流，变压器套管的介损和油中氢气含量，变压器的局部放电、油中色谱，少油开关的泄漏电流及其他设备(如发电机放电)等。对变电站关键电力设备的电气绝缘综合在线监测研究具有重要的意义，并要加强在线监测装置的防干扰措施。3.结论①随着特高压、大容量、超大规模电网的逐步形成，为保证电网的安全、稳定、可靠运行，研发智能电网和进行示范工程是急迫及至关重要的任务。②为保证智能电网实现自愈性，要求研制和生产高速及高准确度的电子式互感器。③研制新型的传感器、在线检测装置是实现智能电网所需的智能代理器的基础。参考文献[1] 王明俊. 突出自愈功能的智能电网. 动力与电气工程师，)：12~16.[2] 何大愚. 应用智能网络技术构建未来自愈型输电网. 动力与电气工程师，2008， 3(6):12~16.[3] 徐立子，万启发. 现代化电网与国际标准对电子式互感器的要求. 电子式互感器 技术研讨会交流文集，中国电力企业联合会成果鉴定办公室，～66.[4] IEC 61850-5 Communication Network and Systems in Substations. Part 5-13：Message performance requirements. 2003-07.[5] IEC
Communication Network and System in Substation-Part 9-1: Specific communication service mapping (SCSM)&Sampled values over serial unidirectional multi-drop point to point link 2003-05.
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谈电流互感器二次绕组使用注意事项
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谈电流互感器二次绕组使用注意事项
要性及使用中的注意事项。
保护调试是电力工作中一项重要的内容，在调试工作中，二次回路检查又是一项重要的调试内容，它是关系到电力系统的测量、保护、通讯等功能能否发挥作用的前提。在二次回路中，电流互感器二次绕组的正确使用非常重要。很多调试人员对它没有深刻的理解，导致造成诸如差动保护误动作、电度表反转等故障现象
２００７年８月５日某２２０ｋＶ变电站
１０ｋＶ新生４号线光纤分相电流差动保护动作，开关跳闸，重合失败，经巡线人员检查，故障点不在本线路内，故障点在新联线出口如图，保护人员检查两侧保护装置、模拟区内外故障查找原因。
故障发生后对差动保护装置进行了全面检查。
⑴对差动继电器进行了校验，检验合格。
⑵检查差动保护整定值，与定值通知单的数据相符。
⑶检查差动保护二次回路接线正确，二次回路绝缘符合规程要求。
⑷测量相位角与差流均正确。
⑸测量电流互感器的变化，变流比符合通知单要求。
⑹差动保护传动试验，差动继电器动作正确，信号继电器掉牌正确，保护出口继电器动作正确，保护装置无误动或拒动现象。
以上各项目检查全部合格，说明差动保护装置及二次回路接线良好，综合分析
未有故障。
根据以上常规的故障查找方法，均未查出明显的问题，查阅了继电保护丛书以及继电保护装置及二次回路故障检修书籍等。认为：既然差动保护装置各项检查都合格，那么，只能对差动电流互感器作进一步分析，看电流互感器是否有问题。但从历史统计数据来看，差动保护从未因电流互感器引起过误动，所以没有引起足够重视。进一步分析故障时短路电流较大，造成电流互感器铁芯饱和，产生二次不平衡电流。
参照国网十八项重大反事故措施：各类保护装置接于电流互感器二次绕组时，应考虑到既要消除保护死区，同时又
要尽可能减轻电流互感器本身故障时所产
生的影响。
用于２２０ｋＶ～５００ｋＶ电网的母线差动、变压器差动和发变组差动保护各支路的电流互感器应优先选用误差限制系数和饱和电压较高的电流互感器。防止电流差动保护误动（线路光纤差动、主变差动保护、母线差动等）
在各类差动保护中应使用相同类型的电流互感器。防止用电流值作为大小判据
的保护拒动（过流保护、
距离保护等）应对已运行的母线、变压器和发变组差动保护电流互感器二次回路负载进行１０％误差计算和分析，校核主设备各侧二次负载的平衡情况，并留有足够裕度。不符合要求的电流互感器应安排更换。
根据国网十八项重大反事故措施，对新生线两侧电流互感器进行了详细的排查，结果发现，电厂侧保护人员错误将计量电
流互感器绕组接入保护回路。故障时，
形成当外部故障短路电流较大时，两侧电流互感器饱和度不一致。
电流互感器饱和原因分析：
在故障条件下，由于故障电流大、
故障电流中的非周期分量、电流互感器铁心中剩磁的存在等原因，电流互感器存在饱和的可能性，特别是电流互感器在大的冲击电流之后，由于剩磁的影响，电流互感器可能在比较小的故障电流下而发生饱和；
比率制动特性仅考虑了１０％误差曲线，这意味着比率制动特性不能保证当电流互感器饱和，误差超过１０％以后能可靠制动。所以在外部故障时，如果仅有比率制动特性，电流互感器饱和时，差动就有误动的可能。换一句话说，仅有比率制动特性的差动保护，在外部故障时发生误动是不可避免的故障结论
电厂侧保护人员错误将电流互感器计量
绕组接入保护回路，故障时，形成当外部故障短路电流较大时，两侧电流互感器饱和度不一致，产生不平衡电流，引起差动保护动作。是新生４号线纵差保护动作的主要原因。
电厂侧新联线保护使用电磁型保护，动作速度相对微机保护慢，不能及时切除故障，是新生４号线纵差保护动作的主要原因。
使用电流互感器二次绕组时应注意：选用合适的准确度级。
准确级是指在规定的二次负荷范围内，一次电流为额定值时的最大误差。
计量、测量精度。对于计量回路应选用精度较高的０．２Ｓ或０．５Ｓ级，因为这两个级
别的绕组在１％－１２０％的负荷间能够满足准确度要求。（注：Ｓ是指当通过电流互感器的电流远小于额定电流时，互感器的准确度仍保证在０．２、０．５级这个精确度上。）
保护准确度：而对于保护使用的绕组一般准确度要求不是很高，除满足额定电流下不超过规定值，要求在较大短路电流下有较好的传变性，保证误差不超过规定值。
一般采用“＊Ｐ＊”的方式表示。例如，５Ｐ２０，表示２０倍额定电流下误差≤５％，所以保护级虽然精度不如计量测量级，但具有很强的抗饱和能力。
ＴＰ（暂态保护）类电流互感器要求在最严重的暂态条件下不饱和，互感器误差在规定范围内，以保证保护装置的正确动作。ＴＰ类电流互感器标准准确级为ＴＰＳ、ＴＰＸ、ＴＰＹ、ＴＰＺ，３３０ｋＶ及以上电压等级使用广泛。
在电流互感器回路验收试验中，一定要核对好所使用绕组的准确级，否则对于
过流等保护将拒动，对于线路纵差、主变差动等电流差动保护将误动作。（注：选用差动电流互感器要进行伏安特性实验，要求随着电流的增大，二次绕组端电压逐步上升，不迅速饱和）
使用电流互感器二次绕组的各类保护要避免保护死区。
线路保护应尽可能用靠近母线的电流互感器一组二次绕组。
母差保护保护范围应尽量避开电流互感器的底部。
电流互感器常见的一种故障是油箱底部绕组对地闪络，原因是顶部端盖密封不严，漏水，导致底部积水而引起绕组绝缘损坏。
具有小瓷套管的一次端子应放在母线侧。电流互感器装小瓷套的Ｌ１端放在母线侧，是考虑当大瓷套对地闪络放电，引起的单相接地故障，不致成为母线侧故障。母线侧有小瓷套，故障会移到Ｌ２端的线路侧。（认为线路故障而不是母线故障，切除元件少，影响小。
严禁电流互感器二次侧绕组开路，电压
互感器二次侧绕组短路。使用复变比
（多抽头）的绕组时，严禁将不用的抽头短路。
刘春珍（１９７８－），女，山西省汾西县人，现就职于临汾电力高级技工学校，从事电能计量、继电保护专业教学工作。二级实习指导教师。参考文献
［１］袁季修，《电流互感器和电压互感器》，中国电力出版社（２０１１）。
［２］袁季修、盛和乐、吴聚业，《保护用电流互感器应用指南》，中国电力出版社（２００４）。
企业家天地２０１２年第１０期中旬刊
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