一種不拆變壓器套管快速測量升高座電流互感器極性的簡易方法

劉其良 段瑞林 李威 張進(jìn) 肖軍 馮翔 余軻 陳智龍

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司）

0 引言

為了保證電力變壓器的安全運(yùn)行，需要其自身的安全保護(hù)裝置、油保護(hù)裝置、測溫裝置、測量裝置等共同作用[1]。電力變壓器高壓側(cè)的電流互感器俗稱升高座，它安裝在變壓器本體上，其內(nèi)部還裝入了套管式電流互感器，在升高座上裝有高壓套管。升高座是連接變壓器內(nèi)部繞組和套管引出線的重要組成部分，升高座電流互感器的重要性同樣不言而喻[1]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

升高座電流互感器可以為測量儀表和繼電保護(hù)電路提供信號。變壓器的過流、短路、過負(fù)荷、差動等保護(hù)，以及變壓器的負(fù)荷、電流、電度表等測量元件，都需要從電流互感器取電流信號[2]。電流互感器如果極性錯(cuò)誤，將會影響計(jì)量回路的正確計(jì)量或造成保護(hù)裝置錯(cuò)誤動作，因此極性測量是電流互感器交接、診斷測試中的重要項(xiàng)目，特別是涉及升高座電流互感器吊裝的檢修工作，需要復(fù)裝后再次核實(shí)互感器的極性。

圖1 變壓器升高座結(jié)構(gòu)

而隨著電力變壓器的容量不斷增大，變壓器繞組的匝數(shù)也越來越多，這給升高座電流互感器的極性測試也帶來了一系列影響。

總得來說，目前對升高座電流互感器極性測試存在以下問題[1-3]：

1）涉及套管升高座吊裝的變壓器大型檢修現(xiàn)場，需要在安裝完成后再次核實(shí)升高座電流互感器的極性。目前升高座電流互感器的試驗(yàn)一般在安裝前進(jìn)行，安裝到變壓器本體后，缺乏成熟的試驗(yàn)手段，這樣就存在隱患：無法對變壓器升高座電流互感器二次回路進(jìn)行徹底的檢查，特別是極性。電力系統(tǒng)中曾發(fā)生過多起因變壓器升高座電流互感器二次回路存在問題導(dǎo)致的事故。

2）升高座安裝就位后，要測量內(nèi)部電流互感器的極性，就必須將變壓器的繞組充當(dāng)互感器的一次繞組。變壓器的繞組線圈匝數(shù)多，具有“通直阻交，通低頻阻高頻”的效應(yīng)，用傳統(tǒng)的互感器綜合測試儀，向變壓器繞組施加的交流電流難以通過繞組，升高座電流互感器二次繞組也就感應(yīng)不到電流電壓，無法測量出極性。

1 現(xiàn)有測量手段

目前變壓器的升高座電流互感器試驗(yàn)通常在安裝前的附件交接試驗(yàn)中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)常采用鐵棍充當(dāng)電流互感器的一次繞組。使用最廣泛的為互感器綜合測試儀，以武漢豪邁電力的CTP-220P互感器綜合測試儀為例，其基于先進(jìn)的變頻法，輸出的交流電壓最大僅180V，交流電流為5A，雖然能夠適用于各類型號的電流互感器極性測量，但該測量方法不適用于安裝后的測量。

而安裝后升高座電流互感器極性測量方法通常為“直流感應(yīng)法”和“一次加壓升流法”[4-6]。所謂“直流感應(yīng)法”，就是在變壓器套管引出線與中性點(diǎn)引出線之間加3V直流電，試驗(yàn)人員使用萬用表的毫安檔對電流互感器二次側(cè)進(jìn)行測量，觀察其指針偏轉(zhuǎn)進(jìn)行極性判斷。但安裝好的套管升高座電流互感器與外設(shè)單只電流互感器最大不同是：套管升高座電流互感器一次點(diǎn)極性時(shí)串接了變壓器很大的一次阻抗，而外設(shè)單只電流互感器一次阻抗很小，故對變壓器點(diǎn)極性時(shí)，產(chǎn)生的突變電流很小，利用“直流感應(yīng)法”無法測量套管式電流互感器的極性。

如圖2所示，升高座安裝后，其套管TA和中性點(diǎn)TA的非極性端即在內(nèi)部相連，L1和L2之間的阻值非常大。按“直流感應(yīng)法”，在L1和L2之間加3V的直流電壓，一次側(cè)所產(chǎn)生的突變電流很小，那么感應(yīng)到二次側(cè)的電流就更小了，萬用表難以測量。

圖2 套管升高座TA極性測量原理圖

“一次加壓升流法”[7-9]是將變壓器低壓側(cè)短接接地，在高壓側(cè)加380V的電壓，形成短路電流，通過對升高座電流互感器的二次繞組帶負(fù)荷測試六角圖校驗(yàn)其極性。這種測試實(shí)際上只能作為保護(hù)投入運(yùn)行的最后一道校驗(yàn)手段，用于確保其主變差動回路正確接線，工作中不能單純的依靠這種方式。而且隨著我國建設(shè)的高速發(fā)展，變壓器的容量越來越大，該測試方法在二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流越來越小，普通伏安特性表的精度已達(dá)不到測量要求。

2 新方法原理及分析

2.1 基本原理

針對變壓器升高座電流互感器極性的測試，本文提出了一種在不拆套管升高座的情況下快速測量變壓器升高座電流互感器極性的方法。

在變壓器繞組兩端施加一個(gè)從零快速上升的直流電流充當(dāng)升高座電流互感器的一次電流，該電流流過升高座內(nèi)的穿芯式電流互感器并從零增大直至穩(wěn)定，一次電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度越來越大，相同條件下升高座電流互感器的鐵心中的磁通量也會逐漸增加，根據(jù)楞次定律，升高座電流互感器二次繞組中會產(chǎn)生一個(gè)阻礙鐵心中磁通量增加的感應(yīng)電動勢，通過電壓采樣單元采集到該信號并進(jìn)行處理與判斷，就可以測出升高座電流互感器的極性。

假設(shè)在變壓器繞組首端施加的直流電流i滿足：

式中，I0為固定值，t=L/R為時(shí)間常數(shù)。施加的直流電流i隨時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 電流變化曲線

根據(jù)載流直導(dǎo)線的磁場計(jì)算方法，變壓器升高座電流互感器中的磁場模型可以等效為如圖4所示。

圖4 升高座電流互感器的磁場計(jì)算模型

把此直線電流看成電流元的集合，對直導(dǎo)線上的任一電流元，其大小為idl，它到場點(diǎn)P的距離為r，α為電流元與矢量之間的夾角[10]，根據(jù)畢奧—薩伐爾定律，此電流元在P點(diǎn)所激發(fā)的磁感強(qiáng)度dB的大小為

而dB的方向由idlxr確定。很顯然，每一個(gè)電流元在P點(diǎn)激發(fā)的方向都是一致的。因此可直接由上式積分求總的磁場強(qiáng)度，

由圖4可知以下幾何關(guān)系：

根據(jù)式（4）～式（6）可以得出：

將式（4）、式（5）和式（7）代入式（3）推導(dǎo)出磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系：

考慮到升高座上端的引線長度遠(yuǎn)大于升高座電流互感的直徑，可以將引線近似等效為半無限長的導(dǎo)線，此時(shí)P點(diǎn)的磁場強(qiáng)度大小可簡化為：

而磁場強(qiáng)度B 的方向總是沿套管電流互感器的切線方向。

假設(shè)升高座電流互感器鐵心截面積為S0，二次繞組線圈匝數(shù)為N匝，如圖5所示。

圖5 感應(yīng)電壓示意圖

則流過的磁通量為：

二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

根據(jù)式（11）可知，從變壓器繞組首端施加一個(gè)逐漸增大的直流電流，升高座電流互感器的二次繞組會感應(yīng)一個(gè)同極性的電壓，且施加的電流參數(shù)越大，二次側(cè)的電壓也越大，就更容易測出。

2.2 測試系統(tǒng)

整個(gè)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含直流電流發(fā)生器、電流輸出接口、電壓采樣接口、信號放大濾波處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲電路及人機(jī)交互模塊。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，測量裝置的直流電流發(fā)生器通過測試電流輸出接口接到被試的變壓器繞組兩端，輸出一個(gè)由0快速增大直至穩(wěn)定的直流電流，通過人機(jī)交互模塊可以選擇電流大?。簧咦娏骰ジ衅鞯亩卫@組接電壓采樣輸入接口，在該直流電對變壓器繞組充電的暫態(tài)過程中，采集二次繞組的電壓信號；將采集到的電壓信號經(jīng)過信號放大濾波處理電路處理，效濾除雜散的干擾電壓，放大輸入信號的幅值；然后將放大的信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)存儲到緩存區(qū)供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理；計(jì)算機(jī)通過測量電壓的數(shù)值范圍進(jìn)行極性判定，并將測量結(jié)果至顯示器。

接線示意圖如圖7所示，直流電流發(fā)生器的電流輸出接口I+（電流正極）、I-（電流負(fù)極）分別接入變壓器繞組首端與尾端。電壓采樣輸入接口U+（電壓正極）、U-（電壓負(fù)極）分別接入電流互感器二次繞組首端與尾端。

接線完成后，先打開測量裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)測試需要設(shè)置直流電流大小，再點(diǎn)擊開始測試。選擇測試后程控電源開關(guān)自動打開，并對測得的電壓信號進(jìn)行放大處理。啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，對電壓V進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)字化測量，將結(jié)果存儲在緩存中。根據(jù)測量結(jié)果的數(shù)值范圍進(jìn)行極性的判定，并顯示測量結(jié)果。其具體程序流程如圖8所示。

圖7 測試接線示意圖

圖8 程序流程圖

2.3 實(shí)際應(yīng)用分析

整個(gè)測試系統(tǒng)完成后，試驗(yàn)人員將儀器帶往現(xiàn)場，對一臺220kV主變壓器的中壓側(cè)升高座電流互感器極性進(jìn)行了測試，如前文所述，先將測試所需的直流電流接到變壓器繞組兩端，輸出電流設(shè)為10A；在升高座電流互感器的端子盒采集二次繞組的電壓信號；現(xiàn)場部分接線圖如圖9所示，電流輸出正極接中性點(diǎn)套管，負(fù)極接高壓A相套管，電壓測試正極接S2繞組，負(fù)極接S1繞組。后續(xù)的運(yùn)算放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及單片機(jī)控制模塊都已經(jīng)集成到HS311互感器極性測試儀中，將試驗(yàn)線接好后，啟動測試，10s左右儀器上顯示測量結(jié)果為減極性，如圖10所示。然后再將儀器端二次接線更換，測得的結(jié)果為加極性，如圖11所示。

所測結(jié)果與升高座電流互感器的實(shí)際極性完全一致。

圖9 現(xiàn)場接線圖

圖10 測試結(jié)果圖

圖11 測試結(jié)果圖

試驗(yàn)人員在現(xiàn)場完成了接線、測試、放電等一系列過程，測試迅速，且結(jié)果準(zhǔn)確，能很好地完成升高座電流互感器的極性測試，證明了本文所提出的這一不拆變壓器套管進(jìn)行試驗(yàn)的方法的可靠性。

之后，試驗(yàn)人員還在±500kV鵝城換流站以及±800kV換流站的拉桿更換后試驗(yàn)中對這一方法進(jìn)行推廣應(yīng)用，大大節(jié)約了人力和時(shí)間成本，保證了整個(gè)試驗(yàn)的順利完成，為換流站的及時(shí)可靠送電發(fā)揮了重大重用。

3 結(jié)束語

針對變電站現(xiàn)場，變壓器升高座電流互感器的極性難以測量這一問題，本文提出了一種新型測試方法，通過在變壓器繞組兩端施加快速增大的直流電流，使升高座電流互感器的磁場快速變化并在二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，再通過信號采樣與處理電路將測試結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析判斷。根據(jù)該方法研制了新型升高座電流互感器極性測試系統(tǒng)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果證明這一方法準(zhǔn)確可靠，能幫助現(xiàn)場提高工作效率，減少安全隱患。