试分析高压电力计量系统故障分析与检测

试分析高压电力计量系统故障分析与检测

摘 要：当前，社会经济的发展对电力供应的稳定性与安全性提出了更高要求。在电力系统的发电、输电、供电过程中，电能计算属于十分关键的环节，尤其是对高电压大容量的电能计算十分重要。电力计量系统一旦出现故障，将会导致计量系统对用户所用电量难以进行准确计算。为此，进行高压电力计量系统故障分析与检测就显得十分重要。在本文中，提出建立高压电力计量系统网络故障模型，从而实现对故障的分析与检测，通过仿真研究后证明了该模型能够有效进行故障检测。

关键字：高压电力计量系统故障分析检测

电压互感器（TV）、电流互感器（TA）、电能表及其二次导线的连接构成了整个高压电力计量系统。在高压电力计算系统中，一旦某一个部分出现故障，都会影响着整个计算系统计量的准确性，严重则会引起整个高压计量系统瘫痪，无法继续工作。为保证高压电力计量系统能够稳定运行，就需要对电力计量系统故障进行分析，并提出故障检测措施。当前，对电压互感器二次回路某一相开路、电流互感器二次回路某一相短路等故障所引发的电力计量系统计算不准确进行了深入研究，这些研究都是建立在已知电力计量系统发生了某一种故障的基础上，并将故障状态下计量值与正常运行状态下计量值进行比较，最终计算出所损失的计量值。但在实际应用过程中，要求电力计量系统能够实时确定计量系统本身故障类型或是外界影响下出现的故障类型，并能够实时计算出损失的计量值。为满足电力计量系统发展的要求，需要建立能够实时对故障类型判断的模型。在本文中，提出建立高压电力计量系统故障检测模型，并以电流互感器一次侧短路故障为例进行研究与分析。

一、高压电力计量系统故障分析

高压电力计量系统的工作原理可以用下图来表述：

在上图中，“1”与“2”属于电能表的计量单元，图中TV1与TV2代表的是电压互感器，图中TA1与TA2代表的是电流互感器。IA代表的是A相电流，IC代表的是C相电流，Ia代表的是IA经过电流互感器变换后的二次电流，Ic代表的是IC经电流互感器变化后的二次电流。通过二次导线连接，形成用电与计量系统网络，一旦系统出现负载变化或发生故障时，可以通过对网络阻抗的变化对计量系统变化情况进行描述。通过研究在故障发生时P与Q点阻抗的变化，研究出两者之间的关系，从而实现故障判断。为方便研究，将一侧在负载折合为二次回路，如下图，为电流互感器发生短路故障时的等效电路图与等效阻抗图：

在等效阻抗示意图中，ZC12代表的是B、C两点相等效负载，ZL为二次侧等效阻抗；ZB1代表的是电能表1电流线圈阻抗，ZB2代表的是电能表2电流圈阻抗，在计算过程中，将ZB1与ZB2统一为ZB；ZA12代表的是A、B相等效负载ZL变化到二次侧等效阻抗值；根据电流互感器工作原理与等效关系可以获

得如下公式：

在以上公式中，n代表的是电流互感器变比，ZL代表的是等效阻抗。通过等效电路图示意图与等效阻抗示意图，能够得出Zi即是P、Q两点看进去阻抗，其计算公式如下：

如果在电流互感器中发生一次侧短路故障问题，故障问题就相当于在图1中的M点与N点之间连接了短路线，这条短路线设为RD，则有：

此时P、Q两点看进去阻抗计算公式则为：

某电网电压有效值为10KV高电压，电网额定负荷值设计为500KVA，在满负荷运行时，负载功率因数为0.9，负载功率随着负载的增大而较小，随负载减小而增大。为方便计算，将负载阻抗看作纯电阻进行计算；铜导线为短路线，导线阻抗值RD=1.275×10-3Ω；一般有功标准电能表电流线圈有功压降在0.1-0.5V范围内；电能表电流线圈阻抗ZB=（0.01-0.1）Ω；为计算方便，在本文中，将电能表电流线圈阻抗选择为0.05Ω；则有电网在额定负荷运行下， =200Ω；若在50%的额定负荷下运行，则|ZL|==400Ω；如在10%额定负荷的基础上运行，则|ZL|==2000Ω，电网中最大电流通过计算，可以得到Im=50A，二次侧标准电流在0-5A范围内，在n值上，可以选择为10。

根据以上数据信息，可以计算出阻抗值，如满负荷运行过程中Zi=1×104Ω；在额定负荷50%状态运行下Zi=2×104Ω；在系统额定负荷运行状态下，Zi=1×105Ω；可以计算出P、Q两点看进去阻抗Zi≈Zb+n2RD=0.1775Ω。通过计算发现，当电网负荷从满负荷变化到10%的满负荷状态运行过程中，P、Q两点看进去阻抗值仅仅发生了一个数量级的变化，但是在电流互感器出现短路故障时，网络阻抗却发生了明显的变化，其阻抗快速下降，出现了5个数量级甚至更多的阻抗变化。 由此，可以根据网络阻抗的变化特征对电流互感器是否发生短路故障进行判断。

二、高压电力计量系统故障建模

在网络中直接进行测量是难以实现的，为此增设检测互感器以实现测量。在图（1）P、Q两点之间，设置变比为n2的检测互感器，具体如下图：

在上图中，uB属于内阻为Ri与频率为f2的电压源；其中标准电阻为R，正常状态下等效电阻为 ；出现故障后等效电阻为 。根据上图，计算出电力计量系统正常运行过程中的检测信号为： ；电流互感器出现一次侧短路故障时检测信号计算公式为：。通过检测，网络中电压源uB=10V；出相为0°，内阻为50Ω；频率f2=50KHz。考虑到电网电压作用影响，采取高通滤波器进行过滤，最终得到计量系统故障检测模型，模型如下：

三、高压电力计量系统故障模型仿真研究

（一）仿真环境建立

将两班制工厂作为负载，其负荷曲线一般表现为不规则曲线，为研究方便，将工厂负荷曲线设为P（k）=|500000sin（t）|+10000。下图分别为两班制负荷曲线、端口阻抗变化曲线、检测电压变化曲线、某时刻电流互感器一次侧短路曲线。

一次侧短路曲线

（二）仿真结果分析

在检测电压变化曲线图中可以看出，随着负荷变化，检测信号在6-9.1V范围内波动，而在发生短路故障时，电压几乎降为0，由此可以判断某个电流互感器出现了一次侧短路故障，尤其在某时刻电流互感器一次侧短路曲线图中，可以判断出在20时整的时候，电流互感器出现了一次侧短路故障。

四、结语

高压电力计算系统在整个电力系统中占有着十分重要的地位，主要是由电压互感器、电流互感器、电能表及其二次导线连接组成，一旦某一环节出现故障问题，都会影响着计量系统计算的准确性，为此，提出对电力计算系统的故障分析与检测。在本文中，提出建立高压电力计量系统网络故障模型，并结合计量系统特性，以电流互感器一次侧短路故障为例，进行了建模与仿真试验，最终证明了该模型的可行性与有效性。

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