手持式二次回路測試裝置在現(xiàn)場應(yīng)用與研發(fā)

秦先坤 張文鵬 羅義暉

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局 廣西柳州 545000）

電力企業(yè)在與用戶確定電量交易的過程中，必須使用電能計量裝置，對于該種裝置來說，其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等均可對電能的公平交易產(chǎn)生直接影響。在電能計量的過程當(dāng)中，設(shè)備在制造過程中所使用的元器件及設(shè)備在使用過程中所處的環(huán)境條件，直接決定了互感器與電能表的誤差值，一旦設(shè)備安裝成功后，這個值就會變成固定不變的量。電力系統(tǒng)一次設(shè)備具有較高電流值，同時電壓值也較高，直接測量電流的風(fēng)險較高。為便于保護(hù)、測量和控制，需將一次電流轉(zhuǎn)變?yōu)槎坞娏鳌ｋ娏骰ジ衅魇菍儆谧儔浩鞯囊环N，起到了隔離電氣和變換電流的作用，可將一次電流有效轉(zhuǎn)換為二次電流[1]。但是在實際應(yīng)用電流互感器時，一旦其發(fā)生二次開路，就會導(dǎo)致保護(hù)拒動和誤動等事故，進(jìn)而對電網(wǎng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生威脅。二次回路是連接電能表與互感器的重要回路，基于二次回路的重要性，電力系統(tǒng)對新投運的電流互感器具有較為細(xì)致的檢驗流程，如極性檢驗、一次升流檢驗和伏安特性檢驗等，但是對一些停電時間較短的工作來說，需變動電流互感器二次回路，常不具備完整條件以供使用，這就導(dǎo)致二次開路風(fēng)險產(chǎn)生。因此，研制手持式二次回路測試裝置，以實現(xiàn)二次回路計量裝置的整體校驗，達(dá)到有效評估二次回路裝置的計量性能、減輕工作強度等，顯得尤為迫切[2]。

一、手持式二次回路測試裝置的特性和試驗方法

（一）手持式二次回路測試裝置的特性

對于現(xiàn)有的二次回路測試裝置，要么其體積較大，不方便進(jìn)行攜帶，要么其接線較為復(fù)雜，而且在電站現(xiàn)場對并聯(lián)電容器組中的單個電容器電容值進(jìn)行測量期間，需要先進(jìn)行拆線，才可以進(jìn)行測量，要想實現(xiàn)手持端測量數(shù)值，必須要獲取同步的電壓相量和電流相量，而現(xiàn)有的電流電感測試儀中的手持端、主機(jī)端間需要應(yīng)用連接線，才可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確、同步，在應(yīng)用不當(dāng)后，會引發(fā)線路老化，對應(yīng)用帶來影響，而且若線路較長，就很不方便進(jìn)行各項操作，也會使得測量具有一定的局限性。在具體的應(yīng)用中，二次回路測試裝置具有較高的事故率，這是因為二次回路測試裝置工作狀態(tài)的特點所決定的。因此，定時對二次回路進(jìn)行檢測，盡早發(fā)現(xiàn)其各類缺陷，防止該類缺陷有所擴(kuò)大是十分有必要的。接線端子較為多樣，插接試驗線較易引發(fā)試驗線脫落。萬用表僅可以讀取出有效值，所以，其無法區(qū)別單相交流電壓，在系統(tǒng)送電期間，只要交流回路發(fā)生短路，就較易引發(fā)保護(hù)誤動作。極性測試無法三相同時進(jìn)行，測試的結(jié)果無法應(yīng)用媒體文件的形式進(jìn)行同步記錄?，F(xiàn)有的二次回路測試裝置無法參照自己的溫度進(jìn)行散熱。另外，對于在定值巡檢中所發(fā)現(xiàn)的一些異常信號，更是需要運行人員具備一定的經(jīng)驗、專業(yè)能力，才能夠及時發(fā)現(xiàn)、排查更多的問題。所以，依靠人工開展巡檢工作，存在效率較低、工作總量較大、及時性較差、準(zhǔn)確性較低等方面的問題，也極有可能會出現(xiàn)漏記、漏判等現(xiàn)象，給設(shè)備的運行留下許多隱患。而伴隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，使得繼電保護(hù)在運行中需要巡檢的數(shù)據(jù)總量也是與日俱增，運行人員的工作總量有所增多。

對于電能計量裝置來說，其誤差包括四個方面，即二次電壓降誤差、CT誤差、PT誤差和電能表誤差，各個設(shè)備的誤差檢查均需在子項中執(zhí)行，進(jìn)而對設(shè)備性能和狀態(tài)進(jìn)行評估。由于互感器誤差通常采取離線監(jiān)測方式，在計量裝置投運之前就能夠得到現(xiàn)場的誤差數(shù)據(jù)，但是回路的二次降壓及電能表現(xiàn)場誤差等，常常無法直接測量。

電流互感器的工作原理就是電磁感應(yīng)原理，一次匝數(shù)較小，且經(jīng)流的一次電流值恒定，而二次匝數(shù)較多，工作狀態(tài)近似于短路，二次電流計算見公式（1）。

由于在鐵芯中，一次繞組的I1N1和二次繞組的I2N1所感生的磁鏈相互抵消，使得鐵芯處于非飽和的工作狀態(tài)，在該種情況下，電流互感器就保持著線性轉(zhuǎn)變特性，且與理想變壓器的效果一致。若其二次側(cè)開路，該種情況下一次繞組的I1N1就保持不變狀態(tài)，而二次側(cè)的I2N1=0，在鐵芯中一次側(cè)磁鏈完全融入，而在一次電流較大的情況下，鐵芯處于完全飽和的狀態(tài)，而在電流互感器中飽和磁鏈的二次側(cè)就能夠感應(yīng)出較高的二次電壓，其理論有效值計算見公式（2）。

在上式中，K為鐵芯特性系數(shù)，Ac為磁路有效截面積，Lc為磁路平均場地，I1為一次電流有效值，N1、N2為一次側(cè)、二次側(cè)匝數(shù)。由此可見，電流互感器的二次側(cè)開路電壓與二次繞組匝數(shù)、鐵芯飽和極限及一次電流大小成正相關(guān)關(guān)系，而在實際應(yīng)用的過程中，部分電流互感器的二次繞組開路電壓可達(dá)到上萬伏。

在鐵芯處于飽和狀態(tài)時，其磁滯回曲線在一個周期內(nèi)可包圍更大面積，與一次循環(huán)磁化中的能量損耗成正比關(guān)系，以上能量損耗包括渦流損耗和磁滯損耗。因此，鐵芯在飽和狀態(tài)下會出現(xiàn)發(fā)熱情況，進(jìn)而損壞電流互感器[3]。

（二）手持式二次回路測試裝置的測試方法

對于手持式二次回路測試裝置來說，其綜合誤差共分為兩類，即帶點測試和離線測試。三相四線制二次回路帶電測試原理圖見圖1。在帶電情況下，電能質(zhì)量測試和電能表誤差，均可使用室內(nèi)機(jī)裝配，并放置于被檢表附近。三相電壓可直接接于被檢表的電壓端，室內(nèi)機(jī)的內(nèi)部則采用精密電阻分壓法進(jìn)行測量[4-6]。三相電流可從被檢表的電流測試線上進(jìn)行獲取，設(shè)備選用高精度的電磁式電流互感器，三相電流、電壓信號等均可經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)入到轉(zhuǎn)換器中，在電路被邏輯時序控制的情況下，3路電流和電壓信息均可實現(xiàn)動態(tài)采集，并將其傳送至DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。此外，被檢表的電能脈沖可通過脈沖測試線或光電采樣器等進(jìn)行采集，并將其傳送至室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)內(nèi)部的誤差比較器就會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而在帶電狀態(tài)下獲得電能表誤差值。

圖1 二次回路帶電狀態(tài)檢測示意圖

二、手持式二次回路測試裝置的研發(fā)

為實現(xiàn)帶電狀態(tài)下或停電狀態(tài)下電能表的誤差測試、PT二次負(fù)荷測試及PT二次壓降測試及二次回路測試等功能，設(shè)計并研發(fā)出一種手持式二次回路測試裝置，由計量二次回路綜合測試裝置室內(nèi)機(jī)、計量二次回路綜合測試裝置測試儀和計量二次回路綜合測試裝置室外機(jī)等組成。

（一）二次回路綜合測試裝置測試儀

計量二次回路綜合測試裝置測試儀系統(tǒng)主要包括按鍵輸入、液晶顯示、USB接口、功率放大、無線通訊和室外機(jī)模塊等組成，充分利用DSP的快速浮點數(shù)計算能力，可對六路信號的各周期波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算，并準(zhǔn)確得出計算結(jié)果，確保失真控制在0.05%內(nèi)。其中FPGA的PLL依據(jù)頻率參數(shù)生成緊密時鐘信號，以對六路數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步處理，進(jìn)而輸出穩(wěn)定的正弦波形頻率。對于以往所使用的傳統(tǒng)電壓電流源來說，其采用的組合方式包括數(shù)字信號處理器、線性電源、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓電流互感器和線性功放等組件，存在著故障率高、體積笨重、制作成本高、不易攜帶和測量效率低下等缺陷[7-8]。在本次研發(fā)的手持式二次回路測試裝置中，將傳統(tǒng)線性電源、線性功放和電壓電流互感器舍棄，并替換為開關(guān)電源、數(shù)字功率放大器和低通濾波器等，裝置更易攜帶，且體積較小。

（二）二次回路測試系統(tǒng)

二次回路測試裝置的PT二次壓降測試硬件原理圖見圖2。在帶電情況下，PT二次壓降測試時，常使用室內(nèi)機(jī)裝備至被檢表附近，PT端子附近則裝配室外機(jī)。室外機(jī)負(fù)責(zé)對PT二次回路始端電壓幅值進(jìn)行采集，同時采集被測電壓，將其作為同步基準(zhǔn)時間，再將所采集到的同步基準(zhǔn)時間、電壓幅值等通過高頻載波傳輸方式，以高頻載波的形式經(jīng)由二次回路電纜線傳輸至室內(nèi)機(jī)[9]。室內(nèi)機(jī)則負(fù)責(zé)對PT二次回路末端的電壓幅值進(jìn)行采集，并結(jié)合二次回路載波所接收的電壓幅值和同步基準(zhǔn)時間，對二次回路的壓降進(jìn)行計算，同時將計算結(jié)果通過載波傳輸?shù)姆绞絺鬏斨潦彝鈾C(jī)，再由室外機(jī)進(jìn)行顯示。室外機(jī)可對就近的二次電流信號進(jìn)行采集，再利用電壓放線車對電壓端子箱內(nèi)的電壓信號進(jìn)行采集，以解決實際使用過程中所出現(xiàn)的CT-PT端子箱距離較遠(yuǎn)問題。

圖2 PT二次壓降測試硬件原理圖

三、對手持式二次回路測試裝置的技術(shù)要求

在所有變動過電流互感器二次回路的工作后，必須對二次回路進(jìn)行測試和檢查，測試地點一般選在高壓場地，要求測試設(shè)備具備足夠的便攜性，且裝置工作電源需采用電池。測量裝置在工作狀態(tài)下，相當(dāng)于在二次負(fù)載的基礎(chǔ)上加入了一個電流，因此在通常情況下，不能夠用于直接對未停用保護(hù)設(shè)備的二次繞組進(jìn)行測量[10]。為避免操作人員誤判繞組，導(dǎo)致將測試電流加入到運行設(shè)備而產(chǎn)生保護(hù)誤動情況，要求手持式二次回路測試裝置的測量電流必須小于最小保護(hù)啟動電流值，而二次測試的最大電流必須＜80mA。在不同頻率下對阻抗進(jìn)行測量所得值不同，為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求測量阻抗必須基于工頻50Hz。

四、結(jié)束語

對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)，必須重視電流采集和測量工作，而電流互感器就是采集和測試電流的一個重要裝置。依據(jù)以往的運行經(jīng)驗可知，電流互感器一旦出現(xiàn)開路就會出現(xiàn)設(shè)備損壞、保護(hù)拒動等事故，屬于高危因素之一?，F(xiàn)有技術(shù)手段如萬用表測量、外觀檢查等均無法對電流互感器的二次回路完整性進(jìn)行快速、精確檢測，即便應(yīng)用繼保儀也無法對二次通流進(jìn)行有效檢測。在分析電流互感器的工作原理和組成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可利用其特殊性，設(shè)計并研發(fā)一種手持式二次回路測試裝置，在實際應(yīng)用過程中，不僅能避免開路事故發(fā)生，還能準(zhǔn)確判斷二次回路的完好性。