張佳敏，袁宇波，卜強(qiáng)生，宋 爽

（國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來相繼出現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置在區(qū)外故障時誤動作的報道［1-6］，這幾起事故都是由于電流互感器（TA）二次回路出現(xiàn)了兩點(diǎn)接地，保護(hù)裝置電流采樣不正確引起的。出于對人身和設(shè)備安全的考慮，多項(xiàng)規(guī)程和反措都要求TA二次回路的1個電氣連接必須有1個可靠的接地點(diǎn)［7］；出于對保護(hù)和安全自動裝置正確采樣的考慮，要求TA二次回路僅有1個接地點(diǎn)。但是由于變電站二次回路復(fù)雜、設(shè)計錯誤、接線不正確、回路電纜絕緣降低等各種原因，變電站TA二次回路多點(diǎn)接地現(xiàn)象時有發(fā)生。專家學(xué)者對這個問題展開研究，對TA二次回路兩點(diǎn)接地的危害和應(yīng)對措施進(jìn)行了有意義的闡述［8-14］。實(shí)際工作中主要通過拆除原有接地點(diǎn)，測量回路對地電阻的方法來檢測二次回路是否存在多點(diǎn)接地，目前也有通過信號注入法實(shí)現(xiàn)交流二次回路多點(diǎn)接地在線監(jiān)測的方法［15］。對于停運(yùn)、處于不帶電狀態(tài)的TA，上述方法是十分有效、便捷的，但是對于已經(jīng)運(yùn)行的TA，采用上述方法可能會影響到設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文對TA二次回路多點(diǎn)接地對保護(hù)裝置可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，二次回路多點(diǎn)接地可等效為中性線經(jīng)其他接地點(diǎn)形成了一個閉合回路，結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律，閉合回路在變化的電磁場下會產(chǎn)生一定感應(yīng)電流，而一點(diǎn)接地的回路則不會產(chǎn)生電流。基于理論分析結(jié)果提出了一種非接觸式的基于電磁耦合的TA二次回路多點(diǎn)接地檢測方法，并通過理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 TA二次回路多點(diǎn)接地對保護(hù)裝置的影響

TA二次回路多點(diǎn)接地包括中性線多點(diǎn)接地和保護(hù)裝置兩側(cè)多點(diǎn)接地2種情況。

圖1為TA二次回路多點(diǎn)接地示意圖。圖中，R1、R2、R3分別為保護(hù)裝置A、B、C相采樣回路等值電阻；RA、RB、RCi、RNi（i=1，2）分別為 A、B、C 相電纜回路和中性線的電纜電阻。正常情況下，TA二次回路接地點(diǎn)有且僅有1個，位于TA根部或在保護(hù)室內(nèi)，圖1所示為接地點(diǎn)位于保護(hù)屏內(nèi)的接線方式。①、②分別模擬了電流回路中性線多點(diǎn)接地和保護(hù)兩側(cè)多點(diǎn)接地2種接地情況。由于兩點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地對保護(hù)影響差別不大，為便于理解分析，本文研究均針對TA二次回路兩點(diǎn)接地情況。

圖1 TA二次回路多點(diǎn)接地示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-point grounding in CT secondary circuit

1.1 中性線多點(diǎn)接地對保護(hù)的影響

當(dāng)中性線多點(diǎn)接地時，地、電網(wǎng)電位差和帶有非周期分量的短路電流或雷擊電流將會竄入TA二次回路，其非周期分量會對保護(hù)裝置的正確采樣產(chǎn)生影響。

圖2（a）和（b）分別為外部流過短路電流和地網(wǎng)存在電位差時中性線多點(diǎn)接地電流分布。圖中，RC、R分別為C相電纜回路和保護(hù)裝置采樣回路的等值電阻；Ik為外部短路電流或雷擊電流；ΔU為2個接地點(diǎn)之間的電位差；I1、I2分別為不同電流回路中流過的電流，電流大小與對應(yīng)支路阻抗相關(guān)。

1.2 保護(hù)裝置兩側(cè)多點(diǎn)接地對保護(hù)的影響

對于保護(hù)裝置兩側(cè)多點(diǎn)接地點(diǎn)情況，若變電站接地網(wǎng)為等電位網(wǎng)，2個接地點(diǎn)會造成二次回路電流分流，使得流過保護(hù)裝置采樣回路的電流大幅減小。若變電站接地網(wǎng)為非等電位網(wǎng)，保護(hù)裝置兩側(cè)接地點(diǎn)之間存在電位差，則電位差引起的電流流過保護(hù)裝置，同樣使保護(hù)裝置采樣不正確。

圖2 中性線多點(diǎn)接地電流分布Fig.2 Current distribution when multi-point grounding exists in neutral line

以某相TA二次回路為例，2種情況下的電流分布如圖3所示。

圖3 保護(hù)裝置兩側(cè)多點(diǎn)接地電流分布Fig.3 Current distribution when grounding point exists at both sides of protection

圖3（a）中，IC為TA二次電流；IC1為通過 2個接地點(diǎn)的分流；IC2為流入保護(hù)裝置的采樣電流；圖3（b）中，IC1為電位差引起的電流分量。

由上述分析可知，無論是中性線多點(diǎn)接地還是保護(hù)裝置兩側(cè)多點(diǎn)接地，多個接地點(diǎn)的存在都會直接或間接地影響保護(hù)裝置或安全自動裝置的采樣，進(jìn)而影響保護(hù)裝置的動作行為。

2 基于電磁耦合的非接觸式多點(diǎn)接地檢測方法

通過第1節(jié)分析可以知道，TA二次回路多點(diǎn)接地會直接或間接地影響到保護(hù)裝置采樣的正確性，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致保護(hù)裝置的誤動作。相關(guān)文獻(xiàn)提出了電流回路多點(diǎn)接地的檢測方法，如文獻(xiàn)［5］提出利用低壓交流信號注入的方法檢測回路的多點(diǎn)接地。這種方法簡單有效，但是需要在原回路中串入低壓信號發(fā)生裝置，不適合大規(guī)模推廣。因此很有必要研究一種不改變原電流回路的非接觸式多點(diǎn)接地檢測方法。

與單點(diǎn)接地相比，多點(diǎn)接地時接地點(diǎn)之間構(gòu)成回路，從而影響到保護(hù)裝置的采樣，信號注入法是檢測是否形成電流回路的有效手段，其難點(diǎn)在于非接觸式的信號注入。

2.1 基于電磁感應(yīng)的非接觸式信號注入方法

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)線回路中磁通量的變化會在導(dǎo)線回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，磁通量變化得越快，感應(yīng)電動勢越大。

TA二次多點(diǎn)接地的回路可視為導(dǎo)線回路，在回路中施加變化的磁場，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=dφ/dt（其中φ為變化的磁通量），實(shí)現(xiàn)交流信號的注入。

圖4給出了TA二次回路2種多點(diǎn)接地情況下，利用法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)信號注入的方法。圖中，Rg為接地回路等效電阻；I為接地回路電流。只需在接地回路中施加變化的磁場，即可實(shí)現(xiàn)非接觸式的信號注入。

圖4 多點(diǎn)接地回路信號注入法Fig.4 Signal injection method for multi-point grounding circuit

2.2 非接觸式多點(diǎn)接地檢測實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接地回路非接觸式信號源注入是進(jìn)行多點(diǎn)接地檢測的前提，基于電磁感應(yīng)的非接觸式電流回路多點(diǎn)接地檢測系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 非接觸式多點(diǎn)接地檢測系統(tǒng)Fig.5 Contactless detection system for multi-point grounding

非接觸式多點(diǎn)檢測系統(tǒng)包括信號注入系統(tǒng)、信號采集裝置和數(shù)據(jù)處理及接地判據(jù)系統(tǒng)3個部分。整套非接觸式多點(diǎn)接地檢測系統(tǒng)的核心部分是鉗式鐵芯和數(shù)據(jù)處理及多點(diǎn)接地判據(jù)系統(tǒng)。鉗式鐵芯要求能方便地鉗在電流回路中性線上，并具有良好的導(dǎo)磁性能。多點(diǎn)接地判據(jù)系統(tǒng)對采集的副邊電流進(jìn)行分析計算，根據(jù)設(shè)定的電流定值判斷是否存在多點(diǎn)接地現(xiàn)象。

信號注入系統(tǒng)由鉗式鐵芯和交流電流源組成，交流電流源產(chǎn)生頻率恒定可調(diào)的電流I1，該電流回路作為鉗式鐵芯的原邊線圈（N1匝），鉗式鐵芯在原邊線圈電流作用下產(chǎn)生穩(wěn)定變化的磁通量φ。TA二次回路中性線與其他接地點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，作為鉗式鐵芯的副邊線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，副邊線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并流過電流I2。

信號采集裝置實(shí)為高精度電流鉗表，其采集到中性線中的電流I2，并送入數(shù)據(jù)處理及多點(diǎn)接地判據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和多點(diǎn)接地判別。數(shù)據(jù)處理及多點(diǎn)接地判據(jù)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的判據(jù)邏輯和定值判斷是否發(fā)生多點(diǎn)接地，如果發(fā)生則發(fā)出告警信號。

2.3 多點(diǎn)接地檢測方法的理論分析

接地回路電阻、鐵芯勵磁特性、鉗式鐵芯與中性線的位置都會影響到最終的檢測結(jié)果，所以還應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對所提方法的可靠性和可行性進(jìn)行嚴(yán)格的分析。

非接觸式多點(diǎn)接地檢測系統(tǒng)工作原理與理想變壓器相似［16］，其等效回路如圖6所示。鉗式鐵芯可以看成理想變壓器的勵磁鐵芯，交流電流源纏繞的電流回路看成原邊線圈，中性線和其他接地點(diǎn)形成的接地回路看成副邊線圈。

圖6 非接觸式多點(diǎn)接地系統(tǒng)等效回路Fig.6 Equivalent circuit of contactless detection system for multi-point grounding

非接觸式多點(diǎn)接地檢測系統(tǒng)的二次電流可以根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行計算，將副邊線圈看成一個導(dǎo)線回路平面，原邊電流在鐵芯中產(chǎn)生變化的磁通量φ，副邊線圈中會相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢U2。設(shè)（φr為鐵芯中主磁通的有效值），且鉗式鐵芯垂直夾在中性線上，則副邊線圈中的感應(yīng)電壓為：

副邊線圈電流為：

鐵芯中的磁通φ是由原邊載流線圈產(chǎn)生的，為便于分析，假設(shè)原邊線圈為圓線圈，其在圓心的磁場強(qiáng)度為：

其中，μ0為鐵芯的磁導(dǎo)率；I1為原邊線圈中的電流；r為原邊圓線圈的半徑。設(shè)則有：

其中，S為鉗式鐵芯的截面積；I1r為原邊電流有效值。

將式（3）代入式（2）中，可以得到副邊線圈電流幅值為：

由式（4）可以看出，當(dāng)多點(diǎn)接地時接地回路中電流I2幅值與鐵芯磁導(dǎo)率μ0、原邊電流頻率f、原邊電流有效值I1r、鐵芯截面積S成正比，而與接地回路電阻Rg和原邊線圈半徑r成反比。當(dāng)TA二次回路只有一點(diǎn)接地時，Rg=∞，I2=0；當(dāng)多點(diǎn)接地時，I2≠0，檢測I2的值即可判斷是否存在多點(diǎn)接地現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及檢測實(shí)現(xiàn)方案

本文提出的非接觸式多點(diǎn)接地檢測方法是以I2≠0作為第一判據(jù)，對于判別邏輯，I2越大越能證明多點(diǎn)接地的存在，然而I2過大存在使保護(hù)誤動的風(fēng)險，這是一個不可調(diào)和的矛盾。因此既要保證檢測裝置能根據(jù)采集的電流I2進(jìn)行接地判斷，還要避免I2過大導(dǎo)致保護(hù)裝置的不正確動作。本節(jié)將從理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2個方面分析注入信號對I2的影響，并對非接觸式多點(diǎn)接地具體實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究。

3.1 電流I2幅值影響因子分析

在式（4）的推導(dǎo)過程中，假設(shè)鐵芯與中性線間的夾角為90°，而實(shí)際操作中不可能保證鐵芯與中性線完全垂直。假設(shè)鐵芯與中性線夾角為θ，則式（4）可轉(zhuǎn)化為式（5）：

從式（5）中可以看出，選定鐵芯后，I2大小只與原邊線圈電流幅值、頻率和接地回路電阻有關(guān)。只要測試過程中保持鐵芯與中性線角度不變，cos θ也是定值，對式（5）進(jìn)一步簡化得：

根據(jù)式（6）計算一般情況下I2的有效值I2r。假設(shè)：N1=3，f=50 Hz，I1r=2 A，μ0=4π×10-4H/m（取真空磁導(dǎo)率的 1000 倍），Rg=1 Ω，S=12×10-4m2，r=0.05m。由式（6）可計算得I2r=0.0284 A。

從式（6）可知注入源的頻率、幅值以及接地回路電阻會直接影響到I2的幅值，不同接地情況下接地回路電阻不同，因此注入源的頻率和幅值為可控影響因子，回路電阻為不可控影響因子。

除此之外，鐵芯磁導(dǎo)率在小電流時并非定值，電流鉗表采樣也有誤差，這些都會影響到I2r大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

前文定性地分析了電流幅值I2的影響因子，為進(jìn)一步研究非接觸式多點(diǎn)接地檢測實(shí)施方案還需相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。實(shí)驗(yàn)接線如圖5所示，其中，電流源由單相繼電保護(hù)測試儀提供，鐵芯為TA所用鐵芯，副邊繞組串入可調(diào)電阻（0～50 Ω）模擬電纜回路的電阻。

根據(jù)式（6）可知，導(dǎo)線回路電流I2大小取決于N1、f、I1r和 Rg。 按相關(guān)規(guī)程要求，變電站二次接地網(wǎng)電阻應(yīng)不大于0.5 Ω，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)將電阻調(diào)至1 Ω，利用電流鉗表，檢測 N1、f、I1r對 I2大小的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1—3所示。

表1 N1對 I2r的影響Table 1 Influence of N1on I2r

表2 f對I2r的影響Table 2 Influence of f on I2r

表3 I1r對 I2r的影響Table 3 Influence of I1ron I2r

由表1—3可知，考慮到電流鉗表精度和實(shí)驗(yàn)誤差，N1、f與導(dǎo)線回路電流幅值I2基本成線性關(guān)系；而I2雖然與I1r成正比，但并非為線性關(guān)系，這主要是由于小電流時磁導(dǎo)率μ0非定值導(dǎo)致。綜上所述，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析相符。

表1—3均為可控影響因子對導(dǎo)線回路電流的影響，實(shí)際中接地回路電阻大小受接地電阻、變電站接地電網(wǎng)電阻及電纜長度影響較大，部分長電纜回路電阻甚至可能達(dá)到10 Ω，因此需對接地回路電阻影響因子做重點(diǎn)分析。接地回路電阻變化范圍很大，取 Rg在 0.1～10 Ω 內(nèi)變化，N1=3、f=50 Hz、I1r=1 A 時，I2r隨Rg的變化曲線如圖7所示。

圖7 I2r隨接地電阻變化曲線Fig.7 Curve of I2rvs.Rg

由圖 7 可見，Rg=0.1 Ω 時，I2r為 90 mA；Rg＞1 Ω時，I2r＜10 mA。

3.3 非接觸式多點(diǎn)接地檢測實(shí)施方案

根據(jù)上述分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)回路中存在多點(diǎn)接地時，通過非接觸式信號注入的方法，中性線中確有電流產(chǎn)生。多點(diǎn)接地判別原理雖然簡單，但是實(shí)際操作時仍需考慮I2r閾值的確定。綜合考慮電流鉗表精度和對保護(hù)裝置影響，將閾值設(shè)為10 mA。目前大部分高精度的電流鉗表能準(zhǔn)確測量10 mA的電流，同時該電流也不會對保護(hù)采樣產(chǎn)生大的影響。

由于測試前不知道回路中是否有多點(diǎn)接地，接地回路電阻大小未知，因此不能直接注入高頻大電流信號，以防存在多點(diǎn)接地且回路電阻較小時，I2r過大引起保護(hù)裝置誤動。因此，本文提出的非接觸式多點(diǎn)接地檢測應(yīng)按如下步驟進(jìn)行測試。

a.檢測前確保電流源輸出工頻電流幅值為0，頻率可設(shè)為50 Hz。

b.將鉗式鐵芯夾到中性線后，逐漸增大輸出電流幅值，并時刻觀察鉗表數(shù)值。若電流鉗表顯示數(shù)值一直為0，則轉(zhuǎn)步驟c，否則轉(zhuǎn)步驟d。

c.將電流源電流增大到5 A，中性線電流仍然為0，則再增加電流源輸出頻率至150 Hz，若中性線電流仍為0，則可判斷TA二次回路中不存在多點(diǎn)接地現(xiàn)象。

d.若隨著電流源輸出電流增加，電流鉗表檢測電流I2r也變大，繼續(xù)增大輸出電流直至I2r大于10mA，同時I2r頻率應(yīng)為50 Hz，根據(jù)電流幅值判據(jù)可初步判定回路存在多點(diǎn)接地現(xiàn)象；在此基礎(chǔ)上適當(dāng)減小電流源輸出電流幅值，提高輸出電流頻率至100 Hz（其間確保I2r不大于10mA），檢測I2r頻率應(yīng)為100Hz。結(jié)合電流幅值判據(jù)和頻率判據(jù)可以確定TA二次回路中存在多點(diǎn)接地現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文在詳細(xì)分析TA二次回路多點(diǎn)接地對保護(hù)及測控裝置影響的基礎(chǔ)上，利用電磁感應(yīng)的原理提出了一種非接觸式的電流回路多點(diǎn)接地檢測方法；通過理論分析得到了接地回路電流的計算公式，分析其幅值影響因子，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；最后根據(jù)理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了基于電磁感應(yīng)的非接觸式多點(diǎn)接地檢測實(shí)施方案，方案充分考慮了電流源參數(shù)可能對保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響，并提出基于電流幅值和頻率雙重判據(jù)的檢測方法，在成功檢測多點(diǎn)接地的同時保證運(yùn)行設(shè)備的安全。