一種通用極性測試電路的研制

許繼東，李曉輝，宋柏巖，李秋實(shí)，艾岳武

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司東豐縣供電公司，吉林 遼源 136300；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源 136200)

0 引言

在制造過程以及大修過程中，有可能出現(xiàn)電流互感器接線錯(cuò)誤或者端子標(biāo)識錯(cuò)誤的情況，繼而造成極性錯(cuò)誤問題。若電流互感器發(fā)生極性錯(cuò)誤，二次輸出電流相位就會反轉(zhuǎn)180°，造成繼電保護(hù)誤動或拒動，還會造成測量和計(jì)量失準(zhǔn)。為了保證電力系統(tǒng)、設(shè)備的運(yùn)行安全以及電能計(jì)量的正確性，在首次和大修后重新接入電力系統(tǒng)一、二次回路前，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定對電流互感器極性進(jìn)行測試。

1 電路的極性測試方法

通常電流互感器都采用減極性標(biāo)注法，其特征是一次側(cè)電流從P1端流入時(shí)，二次側(cè)電流從S1端流出。根據(jù)上述特征，當(dāng)前互感器極性測試方法主要有直流法、交流法和儀器法。

1.1 直流法

直流法就是在電流互感器二次端子S1，S2間接入指針式萬用表，萬用表正極和端子S1連接，萬用表負(fù)極和端子S2連接。為了加大指針擺幅，萬用表調(diào)到電流檔或電壓檔的最低檔，將一節(jié)或幾節(jié)串聯(lián)干電池負(fù)極和電流互感器一次端子P2連接。在電池正極和端子P1接通瞬間，萬用表指針右偏；在斷開瞬間，萬用表指針左偏，說明互感器極性標(biāo)注正確。若方向相反，則說明互感器極性標(biāo)注有誤，需要糾正。

用直流法測定電流互感器極性時(shí)，互感器變比越大，其二次輸出電流越小，極性測試越困難。對電流進(jìn)行折算時(shí)，把測試時(shí)的一次施加電流除以互感器變比即可得到二次電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)二次電流小于3 mA時(shí)，用直流法很難測定；而干電池可測變比小于1 000/1的電流互感器極性。隨著電力系統(tǒng)內(nèi)變壓器容量的增加以及二次額定電流為1 A的電流互感器的應(yīng)用，電力系統(tǒng)內(nèi)電流互感器變比越來越大，即變比大于1 000/1的電流互感器越來越多。

另外，直流法還有一個(gè)特殊要求，就是必須要用指針式萬用表，不能用數(shù)字式萬用表，因?yàn)閿?shù)字萬用表無法判斷瞬變電脈沖方向。

直流法的突出優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、使用器材少。

1.2 交流法

交流法就是把電流互感器一次端子P2和二次端子S1短接，在一次端子P1和二次端子S2間接入10 V以下交流電壓。將外加交流電壓記為U，一次端子P1，P2間電壓記為U1，二次端子S1，S2間電壓記為U2。測量3個(gè)電壓U，U1，U2，如果U=U1+U2，這說明互感器極性標(biāo)注正確；如果U=-U1+U2，這說明極性標(biāo)注有誤。電流互感器變比越大，U和U2越接近，U，U1，U2之間關(guān)系判定就越困難。因此，交流法的實(shí)際使用范圍很小，只能測試變比小于10的電流互感器極性。

交流法原理簡單，操作也不復(fù)雜，可以使用普通數(shù)字萬用表。

1.3 儀器法

儀器法就是采用電流互感器綜合特性測試儀來測定電流互感器的極性，極性測試是電流互感器綜合特性測試儀的一項(xiàng)輔助功能。這種方法的缺點(diǎn)是儀器昂貴、大量作業(yè)單位難以配備、儀器笨重、運(yùn)輸不便以及需要交流220 V電源支持。

2 通用極性測試電路的研制

2.1 整體要求

在電力系統(tǒng)中，電流互感器數(shù)量多、分布廣，極性測試工作頻繁，因此研制一種專用的極性測試裝置是必要的。結(jié)合電力系統(tǒng)實(shí)際情況，這種極性測試裝置應(yīng)有如下特征：

(1) 通用性強(qiáng)，可測定當(dāng)前以及未來電網(wǎng)中所有變比的電流互感器極性，還可測定電網(wǎng)中所有電磁式電壓互感器以及變壓器的極性；

(2) 操作簡單、工作可靠；

(3) 體積小，易于攜帶和使用；(4) 成本低，易于配置。

2.2 電路設(shè)計(jì)

通用極性測試電路的設(shè)計(jì)如圖1所示。按照功能整機(jī)電路，該電路可以分成4個(gè)部分：輸入整理、極性判別、極性指示和電源控制。

輸入整理部分完成對輸入信號的限幅和濾波，由二極管D1、二極管D2、電容C5、電阻R11組成。

極性判別部分由集成電路IC、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4組成。

極性指示部分由發(fā)光管L1、光電耦合器P1、光電耦合器P3、電阻R5、電容C3、電阻R7、發(fā)光管L2、光電耦合器P2、光電耦合器P4、電阻R6、電容C4、電阻R8組成。

電源控制部分由電池B、開關(guān)SW、電容C2、電阻R9、電容C1、電阻R10組成。

2.3 電路元件選擇及參數(shù)配置

二極管 D1，D2：1N4007；電容C5：100 nF，10 V；電阻R11：68 kΩ，0.25 W。

集成電路IC：LM393P；電阻R1，R2：10 kΩ，0.25 W；電阻R3，R4：100 Ω，0.25 W。

發(fā)光管L1：綠色，1.8 V，Φ3；發(fā)光管L2：紅色，1.8 V，Φ3；光電耦合器P1，P2，P3，P4：TLP521；電阻R5，R6：2 kΩ，1W；電容C3，C4：1 nF，10 V；電阻R7，R8：100 kΩ，0.25 W。

電容C2：1 μF，35 V；電阻R9：200 Ω，0.25 W；電容C1：1 mF，35 V；電阻R10：2 Ω，1 W。

電池B：9 V疊層電池。

開關(guān)SW：2 A，50 V，具有2組切換接點(diǎn)，自復(fù)位，共3個(gè)位置。當(dāng)開關(guān)位置為0時(shí)，2組切換接點(diǎn)中的公共接點(diǎn)與各自的常閉接點(diǎn)接通；當(dāng)開關(guān)位置為1時(shí)，第1組切換接點(diǎn)中的公共接點(diǎn)與其常開接點(diǎn)接通，同時(shí)第2組切換接點(diǎn)狀態(tài)保持不變；當(dāng)開關(guān)位置為2時(shí)，2組切換接點(diǎn)中的公共接點(diǎn)都與各自的常開接點(diǎn)接通。

2.4 電路工作原理

圖1 通用極性測試電路

將接線端子CN上的P1，P2，S1，S2和待測電流互感器對應(yīng)端子連接。將開關(guān)SW由位置0接至位置1，以集成電路IC為核心的電路得電。這時(shí)端子S1，S2間電壓為0，依據(jù)電阻R1，R2，R3，R4的3點(diǎn)分壓值，集成電路IC內(nèi)2個(gè)電壓比較器是同相輸入端電位都高于反向輸入端電位，2個(gè)電壓比較器都輸出高電位，發(fā)光管L1、發(fā)光管L2都處于熄滅狀態(tài)。

將開關(guān)SW由位置1快速接至位置2的瞬間，電容C1通過電阻R10和互感器一次線圈放電，互感器二次線圈感應(yīng)電壓經(jīng)二極管D1和D2限幅、電容C5濾波后加載到集成電路IC內(nèi)2個(gè)電壓比較器的輸入端；如果此時(shí)端子S1電位高于電阻R1和電阻R3連接點(diǎn)電位，則集成電路IC腳①輸出低電位，發(fā)光管L1點(diǎn)亮并發(fā)出綠光，同時(shí)光電耦合器P3對發(fā)光管L1自保持，光電耦合器P1對發(fā)光管L2閉鎖，這就說明待測互感器極性標(biāo)注正確。如果在將開關(guān)SW由位置1快速接至位置2的瞬間，端子S1電位低于電阻R4和電阻R2連接點(diǎn)電位，則集成電路IC腳⑦輸出低電位，發(fā)光管L2點(diǎn)亮并發(fā)出紅光，同時(shí)光電耦合器P4對發(fā)光管L2自保持，光電耦合器P2對發(fā)光管L1閉鎖，這就說明待測互感器極性標(biāo)注有誤。

極性測試結(jié)束，開關(guān)SW自復(fù)位至位置0，發(fā)光管L1、發(fā)光管L2自保持及相互閉鎖解除，電池B經(jīng)過電阻R9、開關(guān)SW第2組切換接點(diǎn)中常閉接點(diǎn)對電容C1充電，為下一次極性測試做準(zhǔn)備。為了讓電容C1充滿電，極性測試間隔時(shí)間應(yīng)不小于5 s。

2.5 技術(shù)性能

以集成電路IC(LM393P)為例，其電壓比較器差模輸入電阻為MΩ級，輸入偏置電流為nA級，2個(gè)輸入端壓差在mV級，則輸出端就能翻轉(zhuǎn)。采用電壓比較器可以大大提升極性判別靈敏度，其靈敏度可以輕易高出直流法1個(gè)數(shù)量級以上。使用9 V疊層電池，可以測試變比大于10 000/1的電流互感器，即可對當(dāng)前以及未來電力系統(tǒng)中所有變比的互感器進(jìn)行極性測試。

2.6 技術(shù)細(xì)節(jié)

2.6.1 二極管

二極管D1，D2應(yīng)采用硅二極管，不能采用鍺二極管。在反向電阻和正向?qū)ㄇ?，鍺二極管電阻比硅二極管電阻小得多，會嚴(yán)重拉低極性判別的靈敏度。

2.6.2 電容

電容C5用來抑制外部感應(yīng)電壓干擾，其容量應(yīng)不小于100 nF。容量越大，則抗擾能力越強(qiáng)；但極性判別靈敏度會降低。

在測試變壓器、電壓互感器時(shí)，電容C1可能會出現(xiàn)反向充電現(xiàn)象。二極管D3用來保護(hù)電容C1，將其反向充電電壓限制在0.7 V以下。

2.6.3 電阻

電阻R1，R2，R3，R4用來設(shè)定集成電路 IC內(nèi)2個(gè)電壓比較器的偏置電壓，保證在任何情況下輸入端電壓不會超出允許范圍。同時(shí)，電阻R3，R4還用來設(shè)定2個(gè)電壓比較器的判別電壓。判別電壓越接近，則偏置電壓極性測試靈敏度越高，但抗外部干擾能力下降。

2.6.4 集成電路

集成電路IC一般可以采用任意型號的雙電壓比較器?？紤]到低溫作業(yè)環(huán)境，可以采用低溫性能更好的LM293P或LM193P。電壓比較器差分電壓放大倍數(shù)很高，為了消除有害耦合引發(fā)的自激振蕩，電容C2應(yīng)盡量靠近集成電路IC供電引腳。

如果接線端子CN上S1，S2與待測互感器間導(dǎo)線沒有連接好，集成電路IC上電后發(fā)光管L2會被錯(cuò)誤點(diǎn)亮，電阻R11可用來消除這種現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電阻R11不應(yīng)大于100 kΩ。同時(shí)，電阻R11還為電容C5提供放電通道。

集成電路IC工作電壓范圍為2—36 V。上電時(shí)，其腳⑧電壓在升至2 V的過程中，電壓比較器輸出狀態(tài)不穩(wěn)定。發(fā)光管L1、光電耦合器P1，P3串聯(lián)支路與發(fā)光管L2、光電耦合器P2，P4串聯(lián)支路的工作電壓在4 V以上，上電時(shí)電壓比較器輸出狀態(tài)不穩(wěn)定的問題就被屏蔽掉了。

這種電路工作電壓范圍很寬，可達(dá)6—36 V，電池B電量可以得到充分利用。隨著工作電壓的提高，電容C1放電電流加大，同時(shí)判別電壓與偏置電壓的差值也被拉大，極性判別靈敏度變化并不大。由于判別電壓與偏置電壓之差被拉大，電路抵抗外部干擾能力會大大提高。

只要PCB板布局合理，這種電路全部元件可以裝入1只香煙盒大小的殼體中，攜帶、使用會非常方便。

2.6.5 光電耦合器

光電耦合器P3，P4輸出端存在分布電容及暗阻，分布電容及暗阻可能會造成發(fā)光管L1、發(fā)光管L2誤觸發(fā)。電容C3、電阻R7及電容C4、電阻R8用來消除這種可能。電容C3，C4容量不應(yīng)大于10 nF，否則會拉長極性判別時(shí)間，拉低極性判別靈敏度。

2.6.6 開關(guān)

開關(guān)SW優(yōu)先選用自復(fù)位三位置開關(guān)。選材存在困難時(shí)，也可以用2只自復(fù)位開關(guān)代替，只是在測試時(shí)略有不便。采用自復(fù)位開關(guān)的好處是：只在測試時(shí)接通電源，電池壽命將會延長。如果不采用自復(fù)位開關(guān)，測試結(jié)束后若忘記關(guān)閉電源，則會造成電池電量浪費(fèi)。

2.6.7 電池

當(dāng)電池B電壓低于6 V時(shí)，發(fā)光管L1、發(fā)光管L2亮度微弱。需要注意的是，電池B電壓低于6 V時(shí)，由于發(fā)光管L1、發(fā)光管L2支路自保持與閉鎖能力下降，極性測定結(jié)果將失準(zhǔn)。事實(shí)上，當(dāng)9 V疊層電池的端電壓低于7.2 V時(shí)，就應(yīng)該更換。

2.6.8 極性

極性測試時(shí)，電容C1放電電流較大，為減小開關(guān)SW接觸電阻，從位置1按至位置2時(shí)要迅速果斷，在位置2停留時(shí)間不小于2 s。測試時(shí)，為了減小外部感應(yīng)電壓干擾，人體不應(yīng)碰觸測試線。在測試變壓器、電壓互感器時(shí)，接線端子CN上P1，P2應(yīng)和變壓器、電壓互感器低壓側(cè)線圈連接，接線端子CN上S1，S2應(yīng)和變壓器、電壓互感器高壓側(cè)線圈連接。

3 結(jié)束語

經(jīng)過電路分析以及電路搭接后實(shí)際測試，這種通用極性測試電路具有下列突出優(yōu)勢：

(1) 電路靈敏度高，通用性強(qiáng)，電源使用9 V疊層電池就可以測定當(dāng)前以及未來電網(wǎng)中所有變比電流互感器極性，還可以測定電網(wǎng)中所有電磁式電壓互感器以及變壓器的極性；

(2) 線路簡單、原理清晰、易于操作、工作可靠、靈活度高；

(3) 體積小(只有煙盒大小)，非常宜于攜帶和使用；

(4) 使用常規(guī)元件，成本低廉，易于普及。