一種電流互感器極性驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)

向磊，袁煥炯

（1.超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000；2.廣州市仟順電子設(shè)備有限公司，廣東廣州，510000）

1 電流互感器極性原理

互感器是電力系統(tǒng)一二次之間的橋梁，它利用電磁感應(yīng)原理，將一次高電壓、電流轉(zhuǎn)換成二次低電壓、電流，并起到隔離效果。與電壓互感器不同的是，電流互感器的一二次端口具有極性參數(shù)的區(qū)別。電流互感器極性的正確接入與否是保證電流互感器正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一[1]。

電流互感器的極性是指一次電流從同名端流入，二次電流從同名端流出。如圖1 所示，電流互感器—次繞組的端子為P1 和P2，二次繞組的接線端為S1 和S2，其中P1 和S1、P2 和S2 稱為同名端。一次電流從P1 端流入電流互感器時(shí)在磁心左側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，二次測(cè)電流從S1 流出，經(jīng)過外部設(shè)備流入S2 端，一次線圈和二次線圈產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，因此稱為減極性接法。除了有特殊要求，電網(wǎng)使用的電流互感器都采用減極性接法。

2 電流互感器極性接反的危害

電流互感器的極性接反，最直接的結(jié)果是二次電流的相位與一次電流相反，由此一來將引發(fā)以下幾種不同后果：

■2.1 保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)

如果用在繼電保護(hù)電路中，尤其是差動(dòng)保護(hù)電路中的電流互感器極性接反，導(dǎo)致引進(jìn)繼電保護(hù)裝置的電流誤差，極性反接的一相電流相位相反，差動(dòng)保護(hù)互感器二次側(cè)電流由原本的0 升高到2 倍感應(yīng)電流，直接導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)跳閘。電流互感器的極性反接，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)和拒動(dòng)，繼而可能影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制和事故處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及設(shè)備及工作人員人身安全，造成重大事故和損失。

■2.2 引起計(jì)量和測(cè)量錯(cuò)誤

如果用在電力計(jì)量的電流互感器極性接反，將會(huì)使各種儀器、儀表的指示錯(cuò)誤和電能計(jì)量錯(cuò)誤。如采用不完全星形聯(lián)結(jié)的電流互感器，若任意一相極性接反，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)量中未接電流互感器的一相較其它相電流增高倍[2]，而一次實(shí)際電流并非如此。

采用不完全星形聯(lián)接的電流互感器中，若兩相均接反，在正常情況下二次側(cè)三相電流仍然能保持平衡，但接有電流互感器相電流相位與實(shí)際相位相差180°，從而將使電能計(jì)量表反轉(zhuǎn)。因此，對(duì)電流互感器極性接入正確與否是一項(xiàng)非常重要的工作。在電流互感器新安裝的、回路大修前后以及當(dāng)運(yùn)行中出線保護(hù)誤動(dòng)、儀表指示異常、電度表反轉(zhuǎn)時(shí)要進(jìn)行極性檢查[3]。

■2.3 事故案例

案例一：某35kV 變電站的主變壓器差動(dòng)保護(hù)跳閘亭故，通過現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)特性試驗(yàn)、絕緣檢查、二次回路電流測(cè)量，經(jīng)過分析事故原因是由于保護(hù)裝置內(nèi)部差動(dòng)保護(hù)用電流互感器高壓側(cè)極性接反，當(dāng)不平衡負(fù)荷過大時(shí)，不平衡電流變大，差動(dòng)電流超出整定值。事故造成了2 號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)跳閘[4]。

案例二：2009 年9 月27 日，某35kV 變電站一10kV出線近一個(gè)月來用電計(jì)量大量減少，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此出線于該年8 月25 日更換電流互感器時(shí)，二次側(cè)C 相極性接反，將電流互感器極性正確接回后計(jì)量正常運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

3 電流互感器極性的驗(yàn)證方法

目前位置,市場(chǎng)上鮮有電流互感器CT 機(jī)型的驗(yàn)證專用設(shè)備，現(xiàn)有常用的電流互感器極性驗(yàn)證方法為直流法，其原理如圖2 所示，在電流互感器一次側(cè)接入一個(gè)直流電源V1 和開關(guān)K，其中直流電源的正極接入電流互感器一次側(cè)的P1 端，負(fù)極接入P2 端，電流互感器二次側(cè)接入一個(gè)電流指示表，電流指示表的正端接入S1 端，負(fù)端接入S2 端。當(dāng)開關(guān)K 閉合，直流電源接入電流互感器一次側(cè)的瞬間，由于線圈呈感性負(fù)載，一次側(cè)線圈產(chǎn)生一個(gè)緩慢增加直到平穩(wěn)的電流I1，經(jīng)過磁心和線圈后，在二次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)緩慢升高至平穩(wěn)的電流I2，當(dāng)電流互感器為減極性時(shí)，I2 的方向由S2 極流出，S2 極流入，反之則為加極性[6]。

圖2 電流互感器極性驗(yàn)證方法原理

驗(yàn)證步驟如下：閉合開關(guān)K 并保持一段時(shí)間；如果電流指示表指針正偏后歸復(fù)，則證明電流互感器為減極性，反之則為加極性。重復(fù)上次書步驟，多次驗(yàn)證得出結(jié)論。

直流法是測(cè)量電流互感器極性常用的方法，可以不對(duì)電流互感器回路進(jìn)行解線即可驗(yàn)證。但直流法有以下不足：（1）需要兩人以上配合驗(yàn)證，直流法的一次回路接入電源位置和二次回路驗(yàn)證驗(yàn)證位置通常距離比較遠(yuǎn)，需要一人配合開合開關(guān)，一人看電流指示表偏轉(zhuǎn)情況；（2）驗(yàn)證過程中，斷開開關(guān)時(shí)，由于楞次定律會(huì)導(dǎo)致電流指示表反偏，容易引起誤解；（3）操作步驟比較繁瑣，對(duì)多個(gè)電流互感器（通常一組有三個(gè)電流互感器）進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需要進(jìn)行多次接線和多次驗(yàn)證。

4 電流互感器極性驗(yàn)證裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)直流法的原理以及其缺陷設(shè)計(jì)一種電流互感器極性驗(yàn)證裝置，該裝置具備無線控制技術(shù)、自動(dòng)對(duì)一組三個(gè)電流互感器投入電源，在二次側(cè)自動(dòng)進(jìn)行極性驗(yàn)證給出結(jié)論的裝置。裝置主要包含主機(jī)和探測(cè)器兩大部分。

■4.1 主機(jī)設(shè)計(jì)

圖3為主機(jī)框架圖，主機(jī)包括無線模塊、MCU、直流電源、以及三個(gè)可編程接觸器K1、K2、K3。其中，無線模塊采用ATK-LORA-01 無線竄口模塊，最遠(yuǎn)收發(fā)距離達(dá)到3km，滿足長距離的電流互感器極性驗(yàn)證工作；主機(jī)CPU 采用意法半導(dǎo)體的STM32F103 芯片，具有高運(yùn)算速率，最高可達(dá)72MHz 工作頻率，低功耗，具有優(yōu)良的工業(yè)控制作用和引用。

圖3 主機(jī)框架圖

主機(jī)MCU 通過無線模塊獲取探測(cè)器的命令，根據(jù)命令控制直流電源的投入相別。如圖3，將設(shè)備的D1、D2、D3接入不同相別電流互感器P1 端，如D1 接入A 相電流互感器的P2 端，而COM 則接入中性點(diǎn)。當(dāng)無線模塊收到一個(gè)測(cè)試A 相電流互感器極性的命令時(shí)，MCU 識(shí)別該命令，并通過控制接觸器K1 閉合，直流電源因此投入A 相電流互感器一次側(cè)。再由探測(cè)器探測(cè)二次感應(yīng)電流來判斷極性參數(shù)。

■4.2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

探測(cè)器設(shè)計(jì)礦機(jī)如圖4 所示，包括顯示器、按鍵、電流傳感器、探測(cè)器CPU 和無線發(fā)射器。其中，無線發(fā)射器采用ATK-LORA-01 無線竄口模塊；探測(cè)器CPU 采用意法半導(dǎo)體的STM32F103 芯片；顯示屏采用大彩DC32480M035 電容觸摸屏，采用400M SOC 處理器，屏幕運(yùn)行速度更快，上電即可運(yùn)行，支持圖片、固件的遠(yuǎn)程控制、增量升級(jí)、運(yùn)行中升級(jí)等多種模式，能夠滿足電流互感器機(jī)型驗(yàn)證功能需求。

圖4 探測(cè)器框架圖

探測(cè)器CPU 通過按鍵信號(hào)，獲取選相、調(diào)節(jié)電流、驗(yàn)證等命令，可調(diào)節(jié)測(cè)試電流互感器的相別、測(cè)試電流等級(jí)以及開始測(cè)試命令。同時(shí)，CPU 通過控制無線模塊，給主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的測(cè)試命令，由主機(jī)進(jìn)行電流互感器一次側(cè)電流投入。探測(cè)器通過電流傳感器獲取二次側(cè)感應(yīng)電流的值和波形，通過值和波形來判斷該電流互感器的極性參數(shù)。此外，CPU 控制顯示器顯示測(cè)試的相別、測(cè)試電流等級(jí)、測(cè)試的結(jié)果以及二次感應(yīng)電流波形等信息。

電流傳感器采用霍爾傳感器原理如圖5 所示，被測(cè)電流穿過磁心，在磁心產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，而霍爾元件是對(duì)磁敏感元件，對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)Uh。Uh 經(jīng)過運(yùn)算放器后接入次級(jí)線圈，然后通過MCU 調(diào)節(jié)次級(jí)線圈的補(bǔ)償電流Ib，使得Ib 產(chǎn)生次級(jí)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與初級(jí)磁場(chǎng)抵消，直到霍爾電勢(shì)達(dá)到為0 的動(dòng)態(tài)平衡，則Ib 對(duì)被測(cè)電流Ia 的大小及變化具有非常良好的線性關(guān)系。MCU 通過Ib 計(jì)算處被測(cè)電流Ia 大小及變化情況，從而獲得被測(cè)電流的大小和方向。

圖5 霍爾電流互感器原理圖

■4.3 功能實(shí)現(xiàn)

如圖6 所示，將主機(jī)的COM 端接所有被測(cè)電流互感器的P2 端；主機(jī)的D1、D2、D3 端分別接CT1、CT2、CT3的P1 端。

圖6 功能實(shí)現(xiàn)原理圖

主機(jī)部分實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)需要測(cè)試CT1 極性時(shí)，通過按鍵對(duì)探測(cè)器CPU 發(fā)送CT1 極性測(cè)試命令。

(2)探測(cè)器CPU 接收到CT1 極性測(cè)試命令后，控制無線發(fā)射器發(fā)射CT1 極性測(cè)試命令的無線信號(hào)，無線信號(hào)以空氣為傳播介質(zhì)，發(fā)送到主機(jī)。

(3)主機(jī)的無線接收器接收到CT1 極性測(cè)試命令的無線信號(hào)后，將該信號(hào)進(jìn)行編譯，再送給主機(jī)CPU。

(4)主機(jī)CPU 識(shí)別了無線接收器傳來的CT1 極性測(cè)試命令后，控制接觸器K1 以50Hz 的頻率吸合，使CT1 的一次回路產(chǎn)生脈沖的直流電流Id1；。

(5)脈沖直流電流Id1 經(jīng)過CT1 變換到二次回路直流電流Id2。

手持器功能實(shí)現(xiàn)步驟：

(1)使用電流探測(cè)器探測(cè)到電流Id2，并將電流Id2 經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換變成電流信號(hào)發(fā)送給探測(cè)器CPU。

(2)探測(cè)器CPU 將收到的電流信號(hào)處理分析，得出電流Id2 方向、波形數(shù)據(jù)和判斷電流互感器的極性結(jié)果數(shù)據(jù)。

(3)若Id2 的電流方向喂正、頻率為50Hz，則判斷電流互感器為減極性，若電流Id2 方向?yàn)樨?fù)，頻率為50Hz，則判斷電流互感器為加極性。

(4)探測(cè)器CPU 判斷結(jié)果后，將電流Id2 的大小、波形數(shù)據(jù)以及判斷結(jié)果發(fā)送給顯示器進(jìn)行顯示。

(5)顯示器通過電流方向顯示、波形顯示和結(jié)果顯示，告知測(cè)試人員測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試完成。

本文設(shè)計(jì)的電流互感器極性驗(yàn)證裝置具備遠(yuǎn)距離控制功能，只需一個(gè)人便能操作，能夠一次性接線測(cè)試3 個(gè)以下的CT 極性，提高了極性驗(yàn)證工作的效率，通過電流及波形來判斷，提高了極性驗(yàn)證的準(zhǔn)確率。本設(shè)計(jì)能夠有效驗(yàn)證CT 極性參數(shù)，并且操作簡單，原理清晰，對(duì)操作人員要求低，解決了電流互感器極性驗(yàn)證缺少專用設(shè)備、傳統(tǒng)方法效率低、容易誤判等缺點(diǎn)。

5 結(jié)語

電流互感器是電站的重要設(shè)備之一，給是電網(wǎng)繼電保護(hù)、計(jì)量等設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。在電流互感器新安裝、維修、接線后，投入運(yùn)行之前，必須對(duì)電流互感器極性進(jìn)行校驗(yàn)，確保其極性正確后才能投入使用。本文簡要介紹了電流互感器極性的原理、電流互感器極性接反的危害以及電流互感器極性的驗(yàn)證方法。結(jié)合傳統(tǒng)的電流互感器極性驗(yàn)證方法，設(shè)計(jì)了一種能夠遠(yuǎn)程配合工作的電流互感器極性驗(yàn)證裝置，該裝置較傳統(tǒng)的直流法來說，簡化了操作步驟，減少了人員需求，增加了驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，在電流互感器極性驗(yàn)證上具有廣泛的應(yīng)用范圍。