陈天恒 姚惠达 李丰 许甜田 杨嘉炜 傅辰凯 尤俊杰 倪钱杭
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摘要；电流互感器在电力系统中使用广泛，它的作用是把一次系统的大电流按照一定比例转换成二次侧小电流，供测量、计量、继电保护和自动化装置使用。电流互感器二次回路开路是电力系统中一种常见的故障，一旦发生会引起严重后果，威胁电网安全运行。本文的主要内容是分析电流互感器二次回路开路故障的发展过程中表现出的谐波特性和振动特性，并根据此种特性提出相应的识别方法，及时避免开路故障对人身、电网和设备带来的危害。
关键词；电流互感器；谐波；振动；二次回路开路；开路故障
0引言
电流互感器在电力系统中使用广泛，它的作用是把一次系统的大电流按照一定比例转换成二次侧小电流，供测量、计量、继电保护和自动化装置使用。
实际工作中存在着电流互感器二次开路的可能，比如二次回路的过渡端子氧化后松动，比如二次接线端子触头压接不紧，发热烧断或氧化过热而造成开路，再者检修工作中失误，误断电流互感器二次回路，或对电流互感器本体试验后未将二次接线恢复等等。二次侧开路后会造成以下直接影响：
①由于磁通严重饱和，电流互感器的二次侧产生数千伏甚至上万伏的高压，对二次绝缘构成威胁，甚至发生爆炸，危急设备和运行人员安全；
②二次回路开路故障点有火花放电声、冒烟和烧焦的现象；
③由于铁芯的骤然饱和，铁芯损耗增加，电流互感器严重发热，存在有“嘟嘟”的异常响声，可能损坏绝缘；
④电流表三相指示不正常，电流表计量不正常，监控系统相关数据显示不正常；
⑤继电保护及自动装置发生误动或拒动。
正常运行情况下电流互感器声音很轻，电流互感器二次回路电流监测模块，各二次回路谐波含量相同。二次回路接触不良、并未完全开路，此时该回路中会产生高次谐波。二次回路严重接触不良或开路情况下电流互感器会有振动，有区别于其余正常的二次回路。可以通过研究各二次回路的谐波特性，据此来判断二次回路是否接触不良或开路。
本文的主要内容是分析电流互感器二次回路开路故障的发展过程中表现出的谐波特性和振动特性，并根据此种特性提出相应的识别方法，综合诊断高压电流互感器二次回路运行状态，全面地对电流互感器的运行状态进行实时监测，及时避免电流互感器的故障对人身、电网和设备带来的危害，保证电力系统安全平稳的运行。
1谐波特性
本文为获得不同运行状况下电流互感器的谐波特性进行了模拟试验，获得了规律性的结论，根据该结论提出了根据谐波特性判断电流互感器运行状况的方法。
1.1试验方法
在脱离电网的试品电流互感器上使用电流发生装置施加电流，模拟电力系统中运行状态下电流互感器的运行状况。使用划片电阻模拟现场二次开路的动态渐变过程，通过逐渐增大电阻值，反映二次开路的不同程度。现场实际情况中，电流互感器二次侧所接各种测量表计，阻抗很小近似短路状态，使用二次模拟负载模拟电流互感器实际运行状况。使用智能三相相位伏安表测量不同状态下电流互感器二次回路电流特征。
一个真实的电流互感器有多组端子。试验选择一组开路端和一组测量端。例如，选取1S1-1S2为开路试验端，2S1-2S2绕组（短接状态）和末屏引出线（接地）为测量端。除开路端外，其余二次绕组端均短接。试验接线原理如下图：
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试验分为两个状态进行测量，分别是二次绕组端在正常短路和接触不良两个状态下，测量电流幅值、波形和开路端电压的变化情况。
进一步，试验将接触不良情况分为五组进行模拟，分别测试开路二次绕组端串联电阻为0、100、200、300、500、1000Ω、∞情况下测量二次端中的谐波变化情况。
1.2试验现象
1.2.1正常运行状态与开路状态对比
正常状态下，一次侧输入电流和二次绕组测量电流大小与变比一致，电流波形呈正弦波，有少量3次、5次谐波。末屏处电流有少量2/3/4/5/6次谐波，其中3次谐波相对明显，波形为正弦波状。
二次绕组端开路时，一次侧输入电流大幅度降低，考虑是用于铁心励磁所致，二次绕组侧电流同时降低，且波形发生明显畸变，趋于尖顶波状，3次谐波明显升高，5次谐波少量增加，并且随着一次侧电流升高，波形畸变越明显。末屏处电流同样降低，且波形和谐波变化趋势同二次绕组侧，体现为3次、5次谐波增加。
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1.2.2开路故障发展过程电流特性
随着开路电阻增大，电流奇次谐波含量增大，主要体现为3次和5次谐波，开路时谐波总畸变率28.4%，其中3次谐波占27.7%。
轻微接触不良状态下（100Ω开路电阻时），3次谐波突变明显，从0突变至1.2%，后续在开路电阻小于500Ω范围内，平均每增大100Ω，3次谐波增大0.2%，大于500Ω时，3次谐波突变量值小于0.2%，开路状态最大为27.7%。
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1.3结论
当一次侧绕组输入大电流，二次绕组端逐渐开路时，一次电流降低，主要体现为奇次谐波，波形由正常的正弦波向尖顶波畸变，变化具有可观测性，与回路电阻值关联度高。开路时畸变率最高，可在开路端测得数百伏的开路电压，奇次谐波明显增大。
因此，可以通过测量二次回路电流的奇次谐波的变化率来判断电流互感器运行状况。
2振动特性
本文为获得不同运行状况下电流互感器的振动特性进行了模拟试验，获得了规律性的结论，根据该结论提出了根据振动特性判断电流互感器运行状况的方法。
2.1试验方法
在正常投入运行的电流互感器上进行带电监测振动特性，作为对照参考。使用振动在线监测装置进行振动监测。
用上述方法模拟现场二次开路的动态渐变过程。将接触不良情况分为五组进行模拟，分别测试二次绕组端串联电阻为100、200、300、500、1000Ω情况下的电流互感器振动情况，试验仪器设定采样频率为30s一次。对试验流变升高座的前后左右共取6个点进行振动量采样，以一次电流为500A的情况为例。
2.2试验现象
流变正常工作的情况下振动信号基本为稳定的正弦波，幅值在0.003g左右，频率与电网运行频率接近。
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在初始电压同为500A的情况下，随着试验端之间的串联电阻值不断增大，在线监测装置所收集到的振动波形峰峰值越来越大，说明使用振动在线监测装置来测试电流互感器二次接触不良及开路情况是可行的。
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根据振动信号频域分析图可以发现，在串联电阻在200欧姆以上的情况下，振动频率为400Hz的信号幅值相较于其他振动频率下的幅值会有显著的提升，并与串联阻值正相关。
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振动监测数据的可靠性受采样点位置、设备运行环境和试验仪器影响较大。频域分析特征可以有效避免环境振动的干扰。
振动在线监测传感器较为灵敏，采样信号在有大量数据支持的前提下，通过分析振动幅值与振动频率，并与历史正常值做对比，选取干扰较小的采样通道，以400Hz频率幅值作为参考依据，可以较为清晰地判断出电流互感器二次接触不良或者开路故障。
综上，未投运的电流互感器在正常情况下振动信号为幅值0.001-0.0015左右的杂波，随着试验二次串联电阻的不断加大（100-1000欧姆），振动幅值不断增大（至0.05g左右）的同时高频谐波量也在不断增加，振动波形也发生了越来越明显的畸变。其中尤其以400Hz频率的振动幅值变化最为明显且与电阻呈正相关趋势。
2.3结论
当一次侧绕组输入大电流，二次绕组端串接电阻时，可在电流互感器升高座采集到对应的异常振动数据，并且振动幅值与互感器二次端子串入的电阻大小呈正相关趋势。其中振动频率为400Hz的信号幅值相较于其他振动频率下的幅值会有显著的提升，并与串联阻值呈正相关。
因此，可以通过测量二次回路电流的奇次谐波的变化率来判断电流互感器运行状况。
3基于谐波特性和振动特性判断运行状况的方法
3.1谐波特性
根据上述试验结果中得到的结论，在电流互感器开路或在异常工作状态下，回路电阻升高，二次绕组电流降低，二次绕组电流奇次谐波明显增大。据此提出判断电流互感器运行状态的方法：
（1）利用电流互感器二次回路电流检测模块测量二次电流；
（2）测量二次电流中三次谐波波动幅度I3，若三次谐波波动幅度I3大于5%，则进行下一步测量。
（3）测量二次电流中五次谐波波动幅度I5，若五次谐波波动幅度I5大于1%，则进行下一步测量。
（4）判断电流互感器二次绕组侧电流是否同时降低。若满足电流降低特点，则判断电流互感器二次回路出现开路。若不满足电流降低特点，则判断电流互感器饱和。
3.2振动特性
根据上述试验结果中得到的结论，在电流互感器开路或在异常工作状态下，回路电阻升高，振动幅值增大，其中振动频率为400Hz的信号幅值显著升高。据此提出判断电流互感器运行状态的方法：
（1）将接触式在线振动监测装置固定于电流互感器升高座，测量振动特性。
（2）根据测量结果判断电流互感器升高座的振动幅度A0，若振动幅度 A0大于0.02g，则进行下一步测量。
（3）当振动幅度A0大于0.02g时，需要对电流互感器的振动频谱中400Hz处的振动幅度A400进行进一步判断：当振动频谱中400Hz处的振动幅度A400，若400Hz处的振动幅度A400小于0.005g，则判断是外部振动引起的电流互感器振动；若400Hz处的振动幅度A400不小于0.005g而小于0.01g，则进行下一步判断；若400Hz处的振动幅度A400不小于0.01g，则判断是电流互感器开路，需要立刻进行检查。
（4）若400Hz处的振动幅度A400不小于0.005g而小于0.01g，则需要判断电流互感器异常状态的持续时长。连续测量电流互感器升高座的振动频谱中400Hz处的振动幅度A400，判断30s后振动幅度是否依然不小于0.005g而小于0.01g。若振动持续存在，则判断电流互感器开路，需要进行排查；若振动消失，则判断是外部剧烈振动引起的电流互感器振动。
参考文献
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电流互感器振动和谐波特性及其在二次回路运行状况综合诊断的应用前期研究 5211SX21000S