CN110456299B - 一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，包括：获取TA二次侧绕组阻抗值Z2；在TA投运前测取不同一次电流功率因数下的一二次侧电流，计算
Figure DDA0002174545230000011
和
Figure DDA0002174545230000012
并用它们所表示的正弦量构建正常状态下的
Figure DDA0002174545230000013
标准轨迹簇；在TA运行一段时间后，测取不同一次电流功率因数下的一二次侧电流数据，并构建相应的
Figure DDA0002174545230000014
椭圆轨迹簇；将所构建的
Figure DDA0002174545230000015
椭圆轨迹簇与轨迹簇对比分析，当椭圆轨迹出现匝间短路故障的三种特征时，则判定二次绕组可能发生了匝间短路故障。本发明方法能够在不停电的状态下，有效检测出电流互感器绕组是否发生了匝间短路故障，为电流互感器的停电检修与维护提供了一个可参考的依据。

Description

一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法
技术领域
本发明涉及电流互感器二次绕组故障在线检测领域，具体涉及一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法。
背景技术
电流互感器(简称TA)在电力系统的重要性不言而喻，其高效、可靠、无故障的运行是保证精确电气测量和正确保护动作的前提条件。然而电流互感器在其长期运行中,由于短路电动力、过负荷、热效应以及绝缘材料老化等原因,常会导致二次线圈匝间绝缘损坏,从而造成匝间短路故障。匝间短路会影响到电气测量精确性及继电保护动作的正确性,从而给电力系统带来不必要的经济损失，同时也给用电客户的生产生活造成严重影响。因此，及时准确的监测TA的工作状况，发现可能存在的匝间短路故障，对排查TA潜在故障隐患具有十分重要的意义。
当前，检测TA二次线圈是否发生匝间短路较为可靠的方法，分别是直流电阻法和伏安特性法。直流电阻法通过比较被测试的各相绕组的直流电阻值，判断是否发生匝间短路故障，其测试程序简单，但准确度不高且无法识别轻微的匝间短路；伏安特性法通过测量伏安特性曲线，并将测试曲线与出厂试验曲线对比，能够准确判断出是否存在匝间短路故障，但其测试工序较为复杂。并且以上2种方法只能在停电状态下进行测试，不能够实时进行故障状态的在线监测。在电气设备日益趋于在线监测的今天，此类方法已经开始不符合行业的要求。
近年来，国外学者提出了基于电压差/电流轨迹法的变压器绕组变形故障在线检测方法，该方法利用变压器一次侧、二次侧电压之差△U与一次电流I1构建椭圆轨迹图形，并通过轨迹图形的变化来反应绕组的健康状况，能够实现对变压器绕组变形故障的在线检测及故障程度的量化，为变压器绕组的状态监测提供了一个新的方向。然而，这方面技术在电流互感器TA故障检测中的应用还未见报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，在深入分析了电流互感器TA工作原理、结构及其匝间短路故障机理的基础之上，提出了利用电流互感器TA一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA00022268581500000214
和励磁电压
Figure GDA00022268581500000215
来构建椭圆轨迹图形，通过对椭圆轨迹图形变化的对比分析来在线识别电流互感器TA匝间短路故障。与现有的电流互感器TA匝间短路故障检测方法相比，本发明提出的方法能够在电流互感器TA不停运的状态下，准确可靠的检测出绕组是否发生了匝间短路故障，并且能够评估出匝间短路故障的严重程度。
本发明采取的技术方案为：
一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，包括以下步骤：
步骤1：在电流互感器TA投运前，获取电流互感器TA二次绕组阻抗Z2；
步骤2：在电流互感器TA一次侧施加额定一次电流
Figure GDA0002226858150000021
计算按电流互感器TA理想变比归算到二次侧的一次电流
Figure GDA0002226858150000022
通过电流互感器TA的输出得到二次电流
Figure GDA0002226858150000023
计算二次侧负载阻抗ZL、一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000024
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000025
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000026
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000027
所表示的正弦量，来分别构建对应的椭圆轨迹，并以此作为电流互感器TA正常状态下的标准轨迹簇；
步骤3：在电流互感器TA运行一段时间后，通过钳形电流互感器测取一次绕组电流为
Figure GDA0002226858150000028
通过被测电流互感器本身的输出得到二次电流
Figure GDA0002226858150000029
计算此时的一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA00022268581500000210
和励磁电压
Figure GDA00022268581500000211
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA00022268581500000212
和励磁电压
Figure GDA00022268581500000213
所表示的正弦量，来构建对应的椭圆轨迹；
步骤4：将步骤3所构建的椭圆轨迹簇与步骤2的标准轨迹簇作对比分析：
若是步骤3所构建的椭圆轨迹簇出现以下特征时：
①、椭圆轨迹倾斜角不再随功率因数的改变而变化；
②、椭圆轨迹的离心率较标准轨迹变化1％以上；
③、椭圆轨迹的面积远大于正常状态下的标准轨迹簇面积，在同一单位的坐标体系中，大于标准轨迹簇面积的上百倍；
则判定TA二次绕组发生了匝间短路故障。
本发明一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，技术效果如下：
1)、该方法通过TA一二次侧电流之差
Figure GDA0002226858150000031
和利用二次电流间接计算出来的励磁电压
Figure GDA0002226858150000032
来构建椭圆轨迹图形，通过对轨迹图形变化的对比分析来在线检测TA二次绕组的健康状况，并对TA正常时的工作状况进行预测评估。
2)、该方法通过对椭圆轨迹图形变化的识别与分析，能够在线、可靠和灵敏的判别TA是否发生匝间短路故障，并对匝间短路故障的严重程度进行预估。
3)、该方法通过对正常和故障状态下椭圆倾斜角是否随着功率因数的改变而变化、椭圆离心率的变化量、椭圆轨迹面积大小变化量这三种特征的分析，可以有效的区分TA二次绕组的正常状态和匝间短路故障状态。
4)、该方法能够在不停电的状态下，有效检测出电流互感器绕组是否发生了匝间短路故障，为电流互感器的停电检修与维护提供了一个可参考的依据。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2(a)为绕组正常时，仅一次侧电流功率因数变化对椭圆轨迹的影响图；
图2(b)为绕组正常时，仅一次侧电流幅值变化对椭圆轨迹的影响图；
图2(c)为绕组正常时，一次侧电流功率因数和幅值同时变化对椭圆轨迹的影响图；
图3(a)为在1％绕组发生匝间短路的情况下，仅一次侧电流功率因数改变时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图；
图3(b)为在1％绕组发生匝间短路的情况下，一次侧电流幅值和功率因数同时改变时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图；
图3(c)为短路匝数百分比不同时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图。
具体实施方式
一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，包括以下步骤：
步骤1：在电流互感器TA投运前，获取电流互感器TA二次绕组阻抗Z2；
步骤2：在电流互感器TA一次侧施加额定一次电流
Figure GDA0002226858150000033
计算按电流互感器TA理想变比归算到二次侧的一次电流
Figure GDA0002226858150000034
通过电流互感器TA的输出得到二次电流
Figure GDA0002226858150000035
计算二次侧负载阻抗ZL、一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000036
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000037
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000038
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000039
所表示的正弦量，来分别构建对应的椭圆轨迹，并以此作为电流互感器TA正常状态下的标准轨迹簇；
步骤3：在电流互感器TA运行一段时间后，通过钳形电流互感器测取一次绕组电流为
Figure GDA0002226858150000041
通过被测电流互感器本身的输出得到二次电流
Figure GDA0002226858150000042
计算此时的一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000043
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000044
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure GDA0002226858150000045
和励磁电压
Figure GDA0002226858150000046
所表示的正弦量，来构建对应的椭圆轨迹；
步骤4：将步骤3所构建的椭圆轨迹簇与步骤2的标准轨迹簇作对比分析：
若是步骤3所构建的椭圆轨迹簇出现以下特征时：
①、椭圆轨迹倾斜角不再随功率因数的改变而变化；
②、椭圆轨迹的离心率较标准轨迹变化1％以上；
③、椭圆轨迹的面积远大于正常状态下的标准轨迹簇面积，在同一单位的坐标体系中，大于标准轨迹簇面积的上百倍；
则判定TA二次绕组发生了匝间短路故障。
所述步骤1中，二次侧绕组阻抗Z2为归算到TA二次侧的阻抗值，在现场测试中通过电桥法精确测量二次绕组的阻抗值Z2＝R2+jX2，或根据厂家提供的线圈参数间接计算得到Z2。所述步骤2中，
Figure GDA0002226858150000047
为将一次侧额定电流按理想变比归算到二次侧的电流，即
Figure GDA0002226858150000048
Figure GDA0002226858150000049
为一次侧电流的真实值，K为TA二次绕组与一次绕组的匝数比，由于二次侧感应出的电流有一部分要用于产生主磁通，故二次侧所测得的实际电流
Figure GDA00022268581500000410
必然不会等于
Figure GDA00022268581500000411
而是略小于
Figure GDA00022268581500000412
所述步骤3中，若电流互感器二次绕组发生匝间短路，其等效电路模型会发生较大的变化，此时被测电流互感器的输出已经不能真实的反映一次绕组的电流，而通过无故障的高精度钳形电流互感器所测取的电流，能够在允许的误差范围内真实反映TA一次侧的电流值
Figure GDA00022268581500000413
所述步骤4中，步骤3所构建的椭圆轨迹簇与步骤2的标准轨迹簇作对比分析，情况分为两种：一种是二次绕组没有发生匝间短路故障时的椭圆轨迹图形；另一种是二次绕组发生了匝间短路故障时椭圆轨迹图形。
若绕组没有发生匝间短路故障，由于TA一次侧电流幅值及功率因数的改变也会使所构建的椭圆轨迹发生变化，椭圆轨迹倾斜角会随着功率因数的下降而逆时针旋转；椭圆离心率变化量不会超过0.1％，即几乎不会发生变化；在一次侧电流波动不大的情况下，其椭圆轨迹面积不会相差很大；
若绕组发生了匝间短路故障，则由于TA等效电路模型结构上的改变，使得所构建的椭圆轨迹倾斜角不再随功率因数的改变而变化；且其椭圆离心率会较正常时变化1％以上；同时，其椭圆轨迹面积大于正常状态下轨迹面积的上百倍。
通过对以上这三种特征的识别与分析，能够有效的判断TA二次绕组是否发生了匝间短路故障，如下表1所示。
表1判断TA二次绕组是否发生匝间短路故障表
绕组状态 椭圆倾斜角的变化 椭圆离心率的变化 椭圆轨迹面积变化量
正常状态 随功率因数的减小而逆时针旋转 几乎不会发生变化 在互感器允许运行范围内不会相差很大
匝间短路 不随功率因数的改变而变化 较正常状态下变化1％以上 大于正常状态下轨迹面积的上百倍
为进一步对正常状态与匝间短路时的椭圆轨迹定性分析，建立了某台型号为ZF12-126kV、额定电流比为600A/5A的保护用TA等效电路模型，分别对正常和故障状态下的椭圆轨迹图形进行了仿真分析。
图2(a)为绕组正常时，仅一次侧电流功率因数变化对椭圆轨迹的影响图；
图2(b)为绕组正常时，仅一次侧电流幅值变化对椭圆轨迹的影响图。
图2(c)为绕组正常时，一次侧电流功率因数和幅值同时变化对椭圆轨迹的影响图；
对比图2(a)、图2(b)和图2(c)可知，TA二次绕组正常时，所构建的椭圆轨迹图形有以下特征：
a:椭圆倾斜角只与一次电流功率因数有关，与一次电流幅值无关，且椭圆倾斜角随一次电流功率因数的下降而逆时针旋转；
b:椭圆离心率(椭圆的扁圆程度)几乎没有发生变化，进一步计算得知功率因数为1时与功率因数为0时的离心率相差仅0.07％；
c:在互感器允许运行范围内，其椭圆轨迹的面积相差不会很大。
这三种特征可以作为判断TA二次绕组是否正常的依据。同时，由于椭圆倾斜角随着功率因数的下降而逆时针旋转，因此正常状态下的TA的轨迹图形倾斜角必然较功率因数为1时的倾斜角略逆时针旋转。
图3(a)为在1％绕组发生匝间短路的情况下，仅一次侧电流功率因数改变时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图；
图3(b)为在1％绕组发生匝间短路的情况下，一次侧电流幅值和功率因数同时改变时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图；
图3(c)为短路匝数百分比不同时，故障椭圆轨迹与正常状态下椭圆轨迹的对比图。
对比图3(a)、图3(b)和图3(c)可知，当TA二次绕组发生匝间短路时,有以下特征：
①：椭圆倾斜角不再随一次电流功率因数的改变而变化；
②：椭圆离心率较正常时有所变化，进一步计算得知较正常时减小了5.77％；
③：无论匝间短路水平如何，其椭圆轨迹面积都要远远大于正常时的轨迹面积,进一步计算得知图3(a)中1％匝间短路时的椭圆轨迹面积是绕组正常且功率因数为1时轨迹面积的296.12倍。
这三种特征可以作为判断TA二次绕组是否匝间短路的依据。
同时，二次线圈短路匝数越多，椭圆轨迹面积越大，且椭圆倾斜角随绕组匝间短路比例的增大而顺时针旋转。若在出厂前预先对同一批次和同一型号的TA进行匝间短路故障试验测试，构建该型号电流互感器1％匝间短路时的椭圆轨迹图形数据库，当TA发生匝间短路故障时，则可根据顺时针旋转的角度大小以及椭圆轨迹的面积大小对匝间短路故障的严重程度进行预估。

Claims (6)

1.一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在电流互感器TA投运前，获取电流互感器TA二次绕组阻抗Z2；
步骤2：在电流互感器TA一次侧施加额定一次电流
Figure FDA0002929546070000011
计算按电流互感器TA理想变比归算到二次侧的一次电流
Figure FDA0002929546070000012
通过电流互感器TA的输出得到二次电流
Figure FDA0002929546070000013
计算二次侧负载阻抗ZL、一次侧与二次侧的电流之差
Figure FDA0002929546070000014
和励磁电压
Figure FDA0002929546070000015
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure FDA0002929546070000016
和励磁电压
Figure FDA0002929546070000017
所表示的正弦量，来分别构建对应的椭圆轨迹，并以此作为电流互感器TA正常状态下的标准轨迹簇；
步骤3：在电流互感器TA运行一段时间后，通过钳形电流互感器测取一次绕组电流为
Figure FDA0002929546070000018
通过被测电流互感器本身的输出得到二次电流
Figure FDA0002929546070000019
计算此时的一次侧与二次侧的电流之差
Figure FDA00029295460700000110
和励磁电压
Figure FDA00029295460700000111
多次测量不同一次电流功率因数时的电流数据，用一次侧与二次侧的电流之差
Figure FDA00029295460700000112
和励磁电压
Figure FDA00029295460700000113
所表示的正弦量，来构建对应的椭圆轨迹；
步骤4：将步骤3所构建的椭圆轨迹簇与步骤2的标准轨迹簇作对比分析：
若是步骤3所构建的椭圆轨迹簇出现以下特征时：
①、椭圆轨迹倾斜角不再随功率因数的改变而变化；
②、椭圆轨迹的离心率较标准轨迹变化1％以上；
③、椭圆轨迹的面积大于正常状态下的标准轨迹簇面积，在同一单位的坐标体系中，大于标准轨迹簇面积的上百倍；
则判定TA二次绕组发生了匝间短路故障。
2.根据权利要求1所述一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述步骤1中，二次侧绕组阻抗Z2为归算到TA二次侧的阻抗值，在现场测试中通过电桥法精确测量二次绕组的阻抗值Z2＝R2+jX2，或根据厂家提供的线圈参数间接计算得到Z2。
3.根据权利要求1所述一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述步骤2中，
Figure FDA0002929546070000021
为将一次侧额定电流按理想变比归算到二次侧的电流，即
Figure FDA0002929546070000022
Figure FDA0002929546070000023
为一次侧电流的真实值，K为TA二次绕组与一次绕组的匝数比，由于二次侧感应出的电流有一部分要用于产生主磁通，故二次侧所测得的实际电流
Figure FDA0002929546070000024
必然不会等于
Figure FDA0002929546070000025
而是略小于
Figure FDA0002929546070000026
4.根据权利要求1所述一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：通过无故障的高精度钳形电流互感器所测取的电流，能够在允许的误差范围内真实反映TA一次侧的电流值
Figure FDA0002929546070000027
5.根据权利要求1所述一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：所述步骤4中，步骤3所构建的椭圆轨迹簇与步骤2的标准轨迹簇作对比分析，情况分为两种：一种是二次绕组没有发生匝间短路故障时的椭圆轨迹图形；另一种是二次绕组发生了匝间短路故障时椭圆轨迹图形；
若绕组没有发生匝间短路故障，由于TA一次侧电流幅值及功率因数的改变也会使所构建的椭圆轨迹发生变化，椭圆轨迹倾斜角会随着功率因数的下降而逆时针旋转；椭圆离心率变化量不会超过0.1％，即几乎不会发生变化；在一次侧电流波动不大的情况下，其椭圆轨迹面积不会相差很大；
若绕组发生了匝间短路故障，则由于TA等效电路模型结构上的改变，使得所构建的椭圆轨迹倾斜角不再随功率因数的改变而变化；且其椭圆离心率会较正常时变化1％以上；同时，其椭圆轨迹面积大于正常状态下轨迹面积的上百倍；
通过对以上这三种特征的识别与分析，能够有效的判断TA二次绕组是否发生了匝间短路故障。
6.根据权利要求5所述一种电流互感器二次绕组匝间短路故障在线检测方法，其特征在于：二次线圈短路匝数越多，椭圆轨迹面积越大，且椭圆倾斜角随绕组匝间短路比例的增大而顺时针旋转，在出厂前，预先对同一批次和同一型号的TA进行匝间短路故障试验测试，构建该型号电流互感器1％匝间短路时的椭圆轨迹图形数据库，当TA发生匝间短路故障时，则能够根据顺时针旋转的角度大小、以及椭圆轨迹的面积大小，对匝间短路故障的严重程度进行预估。
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Application publication date: 20191115

Assignee: Yichang Yizhixing Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980034895

Denomination of invention: An online detection method for inter turn short circuit faults in secondary windings of current transformers

Granted publication date: 20210323

License type: Common License

Record date: 20230426