空心线圈电流互感器可靠性及长期稳定性关键问题研究

摘要

空心线圈电流互感器是智能变电站的重要测量设备，其运行性能直接关系到继电保护装置的动作可靠性以及测量、计量装置的准确性。然而，在运空心线圈电流互感器和传统互感器相比，故障率明显较高，主要表现为隔离开关操作下互感器输出的可靠性问题以及环境参量作用下误差状态的长期稳定性问题。为了揭示空心线圈电流互感器可靠性及长期稳定性问题的本质，及时发现并解决空心线圈电流互感器出现的问题，本文深入研究了隔离开关、环境参量等影响量对互感器的影响机理，并建立了互感器误差状态的分析方法，研究重点及成果主要体现在以下几个方面： （1）对隔离开关操作过程空心线圈电流互感器的暂态特性进行建模仿真，为互感器抗强电磁干扰措施提供理论和实践参考，从而保证复杂电磁环境下互感器的可靠性。针对集中参数建模方法在高频工况下的适用性问题，提出了基于分布参数模型的互感器暂态特性建模方法，基于分布参数模型、GIS模型以及隔离开关动作模型获取了互感器输出信号的特征，220kV隔离开关分合试验的实测结果证明了该建模方法的有效性。针对暂态多途径耦合强电磁干扰防护问题，建立了隔离开关操作对互感器的影响模型，提出了电荷泄放电路、公共阻抗耦合去耦、级联滤波电路、地线分离等抗电磁干扰措施，在1000kV隔离开关分合试验平台上进行了验证。 （2）系统地研究了环境参量作用下空心线圈电流互感器误差特性及误差影响因素，揭示了互感器误差状态稳定性问题的内涵，为互感器设计和制造提供指导。根据线圈骨架和绕组之间的限制关系，采用独立误差合成方法分析了温度对互感器的综合影响；将非均匀空心线圈绕组的不连续部分等效为无绕组区域，据此建立了振动、磁场对空心线圈的影响模型，克服了线圈绕组半径对不均匀度的约束；针对偏心误差多影响因素区分的问题，提出了一种不依赖互感器机理模型的影响因素敏感性分析方法，通过正交试验的方差分析结果确定了不同影响因素的重要性。偏心误差试验结果验证了分析方法的有效性，其中偏心距离的影响最为显著，相对位置的影响其次，不均匀度的影响最小。 （3）分析了在运互感器误差与温度、湿度、振动、磁场以及负荷等环境参量的关联程度，有利于控制以及评估互感器运行中的误差状态稳定性。针对互感器误差与多耦合环境参量解耦的问题，提出了基于随机矩阵理论的互感器误差状态相关性分析方法，将误差与环境参量的内在联系量化为相关性评价指标dMSR以及IMSR，根据相关性评价指标的大小和变化趋势，可以实时获得互感器运行误差与一个或者多个环境参量的关联程度。采用本方法对220kV变电站互感器误差状态监测平台的运行数据进行了分析，结果表明该站互感器的比差和温度、磁场以及负荷参量的相关性较强，和振动、湿度参量的相关性较弱；角差和电气参量的相关性较强，和非电气参量的相关性较弱。 （4）建立了空心线圈电流互感器运行误差的预测模型，实现了互感器误差变化趋势的预测，有利于运维人员及时发现互感器误差状态的长期稳定性问题。为了避免样本异常数据对预测模型结构和参数的影响，基于K-S检验方法对互感器误差数据分布进行了检验，利用β(g,h)分布估计的数据范围对非正态分布样本数据的异常值进行了剔除；由于互感器误差和环境参量不存在确定函数关系，基于多维度影响量回归算法建立了互感器误差预测的参数化模型；为了提升预测模型的泛化能力，通过先聚类再训练的方法，确定了RBF神经网络的中心向量和权重，构建了互感器误差预测的非参数化模型。将误差预测模型用于220kV变电站互感器误差状态在线估计，结果表明参数化模型和非参数化模型均可用于预测在运互感器的误差，参数化模型的角差预测误差较小，非参数化模型的比差预测误差较小。 本文的研究成果可以为空心线圈电流互感器抗干扰设计提供理论及技术支撑，减少因互感器可靠性问题产生的保护误动现象，为电力部门提供互感器运行态势分析和主动运维管理的有效手段，防范电能贸易结算的风险。

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