阅读说明：本技术 一种电流互感器故障自诊断系统及方法 (Current transformer fault self-diagnosis system and method ) 是由 范建华 姜文 姚兴东 赵传强 赵磊 �田�浩 杨顺 张建 李伟 吴雪梅 卢峰 于 2020-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电流互感器故障自诊断系统及方法,包括正弦波发生器、电源模块、控制器模块、测量电阻R_1、分压电阻R_2、供电控制开关VT1和测量控制开关VT2,系统定时检测电流互感器二次出线侧的电感量,通过电感量的变化诊断电流互感器状态是否正常。本发明所述的电流互感器故障诊断系统能够与电流互感器测量电路相结合,不需要增加额外的装置,并且在进行故障自诊断时不会影响电流的实时测量,不会影响测量结果。(The invention discloses a fault self-diagnosis system and method for a current transformer, which comprises a sine wave generator, a power supply module, a controller module and a measuring resistor R 1 A voltage dividing resistor R 2 The power supply control switch VT1 and the measurement control switch VT2, the system detects the inductance value of the secondary outgoing line side of the current transformer at regular time, and the state of the current transformer is diagnosed whether to be normal or not through the change of the inductance value. The current transformer fault diagnosis system can be combined with a current transformer measuring circuit, an additional device is not required to be added, real-time measurement of current is not influenced during fault self-diagnosis, and a measurement result is not influenced.)

一种电流互感器故障自诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及电流互感器领域，尤其涉及一种电流互感器故障自诊断系统及方法。

背景技术

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器，在变电站和配电网等电力系统中有广泛应用。

电流互感器串接或者卡接在电力线路上，当线路交变电流流过互感器一次侧线圈时，铁芯中产生交变磁场，该交变磁场又使绕在铁芯上的二次侧线圈中产生感生电势进而产生二次电流，通过测量二次电流的大小实现对线路实际电流大小的计算，多用于电能计量、故障诊断和状态监测，是智能电网的关键性设备。

现有电流互感器在实际使用过程中，容易人为在其一次侧或二次侧增加短接线或者在穿心式互感器的穿心孔上增加短接环进行窃电，给供电企业带来经济损失。

现有的开口式电流互感器在实际使用过程中，其开口处易受到恶劣天气的影响，潮湿空气侵入内部，铁芯会出现锈蚀等损伤，使得互感器的测量精度下降，测量数据不准确。

目前针对电流互感器的的故障自诊断方法通常在互感器铁芯上增加一个辅助绕组，通过辅助绕组施加一个自检信号，根据测量绕组反馈的信号判别互感器的故障。这样的设计不仅复杂而且会影响电流的实时测量。

发明内容

针对上述现有电流互感器的使用缺陷或不足，本发明目的在于提供一种电流互感器故障自诊断系统及方法，该系统与电流互感器测量电路相结合，不需要增加额外的装置，不影响电流的实时测量，能够定时检测电流互感器二次出线侧的电感量，通过电感量的变化诊断电流互感器状态是否正常。

为实现上述目的，本发明提供了一种电流互感器故障自诊断系统，包括正弦波发生器、电源模块、控制器模块、测量电阻R₁、分压电阻R₂、供电控制开关VT1和测量控制开关VT2。

其中，电源模块与控制器模块连接，同时与供电控制开关VT1的源极相连，供电控制开关VT1的漏极与正弦波发生器相连，供电控制开关VT1的栅极与控制器模块的控制引脚1相连，分压电阻R₂的一端与正弦波发生器相连，分压电阻R₂另一端与测量电阻R₁的一端相连，同时与控制器模块的采样引脚相连，测量电阻R₁的另一端接地。测量控制开关VT2的漏极与分压电阻R₂的一端相连，测量控制开关VT2的栅极与控制器模块的控制引脚2相连，测量控制开关VT2的源极接地。

正弦波发生器输出电压幅值固定、频率为f的正弦波信号U_s，f＝1Hz。

电源模块给控制器模块提供电源，并通过供电控制开关VT1给正弦波发生器提供电源。

供电控制开关VT1为PMOS管，接收控制器模块的控制信号进行闭合和关断，实现对正弦波发生器的供电控制。

测量控制开关VT2为NMOS管，接收控制器模块的控制信号进行闭合和关断，实现对分压电阻R₂的接地控制。

控制器模块包含控制引脚1、控制引脚2和采样引脚，通过控制引脚1和控制引脚2分别控制供电控制开关VT1和测量控制开关VT2的闭合和关断，通过采样引脚对测量电阻R₁和分压电阻R₂之间的电压值进行采样。

测量电阻R₁连接在电流互感器二次侧的两端，用于将电流互感器二次侧的电流信号转换成电压信号，供控制器模块进行采集。

分压电阻R₂在测量控制开关VT2闭合时与测量电阻R₁并联，将电流互感器二次侧的电流信号转换成电压信号，供控制器模块进行采集；在测量控制开关VT2关断时与测量电阻R₁串联，将正弦波发生器输出的电压信号进行分压，供控制器模块进行采集。

本发明所述的一种电流互感器故障自诊断方法，包括如下步骤：

步骤1)本系统在现场安装完成后，进入故障诊断模式，得到u_b(1)；

步骤2)进入正常测量模式。定时开启故障诊断模式，当到达设定时间，则进入步骤(3)，否则重复步骤(2)；

步骤3)进入故障诊断模式，得到u_b(n)；

步骤4)利用数字陷波器将控制器模块采样引脚的采样数据U中频率为f的正弦波分量U_b滤除后，计算一次侧线路电流I_S1，数字陷波器的滤波功能，是由控制器模块的软件实现；

步骤5)R＝u_b(n)/u_b(1)，如果R≤R_SET，则上报电流互感器故障，然后转入步骤(2)；如果R>R_SET，则直接转入步骤2)，其中，R是在故障诊断模式中获得的u_b(n)和u_b(1)的比值，R_SET是系统设置的默认值。

故障诊断模式包括如下步骤：控制器模块控制引脚2控制测量控制开关VT2关断，控制器模块控制引脚1控制供电控制开关VT1闭合，正弦波发生器输出电压幅值固定、频率为f＝ 1Hz的正弦波信号U_s，控制器模块采样引脚采集电压数据为U，采样周期为1/f，对U进行DFT 分析，获取频率为f正弦波向量U_b，其幅值为u_b(n)，n为计算次数。

正常测量模式包括如下步骤：控制器模块控制引脚1控制供电控制开关VT1关断，控制器模块控制引脚2控制测量控制开关VT2闭合，控制器模块采样引脚采集电压数据U′，计算一次侧线路电流I_S1。

本发明具有如下有益效果：

1.电流互感器故障自诊断系统能够定时诊断电流互感器是否发生故障并将故障信息上报。

2.电流互感器故障自诊断系统能够与电流互感器测量电路相结合，不需要增加额外的装置。

3.电流互感器故障自诊断方法在进行故障自诊断时不会影响电流的实时测量，不会影响测量结果。

附图说明

图1是本发明电流互感器故障自诊断系统的原理框图。

图2是本发明电流互感器故障自诊断系统实际使用的等效电路图。

图3是本发明电流互感器故障自诊断方法流程图。

图4是本发明电流互感器故障自诊断系统的测量电路等效电路图。

图5是本发明电流互感器故障自诊断系统的故障诊断电路等效电路图。

图中：1-正弦波发生器；2-电源模块；3-供电控制开关VT1；4-控制器模块；5-测量控制开关VT2；6-测量电阻R₁；7-分压电阻R₂；8-电流互感器二次侧线圈内阻R₃；9-虚线框；10- 二次侧等效电流I_S2；11-电流互感器二次侧电感L₁；12-电流互感器；13-一次侧线路电流I_S1。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，测量电阻R₁(6)连接在电流互感器二次侧的两端，为了整体阐述系统原理，需要在图1所示的系统中加入图2所示的电流互感器(12)及一次侧线路电流I_S1(13)并进行等效电路变换，将电流互感器(12)和一次侧线路电流I_S1(13)用诺顿定理简化为图2虚线框(9)内所示的等效电路。其中，R₃为电流互感器二次侧线圈内阻，I_S2为一次侧线路电流I_S1(13)的二次侧等效电流，L₁为电流互感器二次侧电感。二次侧等效电流I_S2(10)的一端与电流互感器二次侧电感L₁(11)的一端相连并接地，二次侧等效电流I_S2(10)的另一端与电流互感器二次侧电感L₁(11) 的另一端相连，并与电流互感器二次侧线圈内阻R₃(8)的一端相连，电流互感器二次侧线圈内阻R₃(8)的另一端与测量电阻R₁(6)的一端及分压电阻R₂(7)的一端相连，同时与控制器模块(4) 的采样引脚相连，测量电阻R₁(6)的另一端接地，分压电阻R₂(7)的另一端与正弦波发生器(1) 相连。电源模块(2)与控制器模块(4)连接，电源模块(2)与供电控制开关VT1(3)的源极相连，供电控制开关VT1(3)的漏极与正弦波发生器(1)相连，供电控制开关VT1(3)的栅极与控制器模块 (4)的控制引脚1相连。测量控制开关VT2(5)的漏极与分压电阻R₂(7)的一端相连，测量控制开关VT2(5)的栅极与控制器模块(4)的控制引脚2相连，测量控制开关VT2(5)的源极接地。

其中，二次侧等效电流I_S2(10)的计算公式如下：

I_S2＝I_S1N₁/N₂

上式中，N₁为电流互感器的一次侧匝数，N₂为电流互感器的二次侧匝数。

电流互感器二次侧电感L₁(11)的简化计算公式如下：

L₁＝N₂ ²Aμ/l

上式中，A为电流互感器磁芯的截面积，l为磁芯的磁路长度，μ为磁芯的磁导率。

电流互感器故障自诊断方法流程图如图3所示，包括如下步骤：

步骤1)本系统在现场安装完成后，进入故障诊断模式，得到u_b(1)；

步骤2)进入正常测量模式。定时开启故障诊断模式，当到达设定时间，则进入步骤(3)，否则重复步骤2)；

步骤3)进入故障诊断模式，得到u_b(n)；

步骤4)利用数字陷波器将控制器模块采样引脚的采样数据U中频率为f正弦波分量U_b滤除后，计算一次侧线路电流I_S1(13)；数字陷波器的滤波功能，是由控制器模块的软件实现。

步骤5)R＝u_b(n)/u_b(1)，如果R≤R_SET，则上报电流互感器故障，然后转入步骤2)；如果R>R_SET，则直接转入步骤2)。其中，R是在故障诊断模式中获得的u_b(n)和u_b(1)的比值， R_SET是系统设置的默认值。

故障诊断模式包括如下步骤：控制器模块(4)控制引脚2控制测量控制开关VT2(5)关断，控制器模块(4)控制引脚1控制供电控制开关VT1(3)闭合，正弦波发生器(1)输出电压幅值固定、频率为f＝1Hz的正弦波信号U_s，控制器模块(4)采样引脚采集电压数据为U，采样周期为1/f，对U进行DFT分析，获取频率为f的正弦波向量U_b，其幅值为u_b(n)，n为计算次数。

正常测量模式包括如下步骤：控制器模块(4)控制引脚1控制供电控制开关VT1(3)关断，控制器模块(4)控制引脚2控制测量控制开关VT2(5)闭合，控制器模块(4)采样引脚采集电压数据U′，计算一次侧线路电流I_S1(13)。

当系统工作在正常测量模式下，供电控制开关VT1(3)关断，测量控制开关VT2(5)闭合，测量电路的等效电路图如图4所示，控制器模块(4)采样引脚采集电压数据U′，并进行一次侧线路电流I_S1(13)的计算。在电流互感器出现故障，例如电流互感器的铁芯出现锈蚀时，μ会变小，导致电流互感器二次侧电感L₁(11)变小；在电流互感器被人为改造的情况下，例如在电流互感器一次侧或二次侧增加短接线或者在穿心式互感器的穿心孔上增加短接环时，磁芯上产生了闭合回路的线圈，使得电流互感器二次侧电感L₁(11)急剧变小。图4中，二次侧等效电流 I_S2(10)固定，若电流互感器二次侧电感L₁(11)变小，则流过电流互感器二次侧电感L₁(11)的励磁电流变大，而流过测量电阻R₁(6)和分压电阻R₂(7)的电流变小，U′变小，最终测得一次侧线路电流I_S1(13)变小。

当系统工作在故障诊断模式下，供电控制开关VT1(3)闭合，测量控制开关VT2(5)关断，系统存在正弦波发生器(1)和二次侧等效电流I_S2(10)两个独立电源。采用叠加定理进行分析，当二次侧等效电流I_S2(10)独立工作时，正弦波发生器(1)短路，系统的等效电路仍如图4所示，设定此时控制器模块(4)采样引脚采集的电压数据为U_a，与正常测量模式的电压数据U′相同。当正弦波发生器(1)独立工作时，二次侧等效电流I_S2(10)开路，系统的等效电路如图5所示，设定此时控制器模块(4)采样引脚采集的电压数据为U_b。根据叠加定理，在故障诊断模式下，控制器模块(4)采样引脚采集电压U＝U_a+U_b。因U_b为U_s的线性分压，频率与U_s一致，采用数字陷波器，将U中的特定频率U_b滤除，此时U＝U_a＝U′，然后计算一次侧线路电流I_S1(13) 的大小，与正常测量模式计算结果一致。因此，电流互感器故障自诊断方法在进行故障自诊断时不会影响电流的实时测量，不会影响测量结果。

为分析电流互感器出现故障时U_b的变化，结合图5，根据分压器法则推导向量U_b与向量U_s的关系如下式：

进一步变换为如下式：

令则向量的模相角向量的模相角则与的夹角

令向量则式(1)变换为如下形式：

电流互感器出现故障时电流互感器二次侧电感L₁(11)变小，增大，变小，即∠θ变小。当和之间的夹角∠θ变小，增大时，根据向量加法运算法则，增大。若增大，而U_s的模保持不变，由式(2)可知U_b的模变小，即U_b的幅值u_b(n)变小。当u_b(n)与初始值u_b(0) 的比值R小于设定值R_SET(R_SET<1)时，则上报电流互感器故障。