智能CT極性測試裝置設計

云南電網有限責任公司楚雄供電局 段敬忠 譚振華 太 然 何林潤 唐媛媛

隨著社會經濟的發(fā)展，電力用戶越來越多，電網結構越來越復雜。為了滿足發(fā)展的需要，電網不斷擴大規(guī)模，每年都有大量新建電力工程投運。電流互感器（CT）在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著高低壓隔離、高壓量向低壓量轉換等重要作用。然而，多年的現(xiàn)場運行經驗表明，由于CT極性和保護方向錯誤導致保護誤動或拒動的事情屢禁不止，嚴重影響著電網的安全穩(wěn)定運行[1]。

在新改擴工程中，對CT二次回路進行一次注流時僅能檢驗電流二次回路的狀態(tài)，不能同步開展極性測試。傳統(tǒng)的“點極性”暫態(tài)測試方法，存在電流表指針偏轉幅度小、暫態(tài)過程時間短、分辨特征不明顯的問題。此外，當多次極性測定時，接線任務煩瑣，動用人力資源較大，作業(yè)周期長，且受限于現(xiàn)場作業(yè)人員的業(yè)務技術水平和責任心，人工“點極性”的測試方法很容易出錯。

本文設計一種智能CT極性測試裝置，利用電容在CT一次注流時，一次和二次電流的相似度檢測二次繞組的變比和極性，不僅操作方便，降低了現(xiàn)場工作量，還能夠提高CT極性測試的正確率。

1 CT極性測試原理

選擇CT極性前，要先確定CT的參考方向。對于CT的方向可以有兩種考慮，一種出于對差動保護的考慮，其不需要具體判別電流到底是流入還是流出，而出于基爾霍夫原理只要求求取矢量和，因此只要所有的CT所定義的方向，均指向被保護設備方向或是全部與之相反即可，通常應用于線路的差動保護、主變的差動保護、母線差動保護等；另一種則是出于負荷電流方向的考慮，其需要確切的電流流向，與電壓相結合，才能確切地指出功率方向，表現(xiàn)出電流的具體流向，如零序方向保護、距離保護等。在實際工程應用中，同一個CT的不同的二次繞組用途不一樣，存在極性截然相反的要求，即有些繞組需要減極性，有些繞組需要增極性。

1.1 電容放電

本文使用在CT一次側加低壓電容，二次側檢測電流的方法來判斷極性。電路模型如圖1所示，C為充滿電的低壓電容，L為電流互感器漏電感，T為變比為1：n理想變壓器，RL為二次側電阻負荷。

圖1 電路模型

圖2 智能CT測試裝置功能框圖

從圖1中可以看出，電流互感器一次側等效為RLC串聯(lián)電路，根據KVL得到一次側電路方程1：

式中：R為二次側等效電阻，電容初始電壓為E。令時間常數τ=R/2L，角頻率，RLC的取決于實際電路值，于是等到一次側電流：1/LC-R2/4L2=0時，。電流以時間常數τ=R/2L呈指數形式衰減；1/LC-R2/4L2＜0時，，其中。由此可見，此時的電流也是呈指數形式快速衰減；1/LCR2/4L2＞0時，，此時電流呈正弦震蕩衰減。

1.2 極性判斷原理

CT一次側加低壓電容后，其電流為變化的電流，可以線性傳導到二次側。通過比較一次側電流與二次側的電流的大小與方向就可以判斷出CT的極性。

電流互感器由于漏電感與感應電流存在，一二次的電流存在相角與幅值誤差。公式（2）僅在理想的情況下存在。從上述的分析可以知道，同極性時電流互感器的兩側波形相似，反之波形相反。在電容開始放電后，在一段時間內單片機采集一次、二次的電流，于是得到公式（3）：

分析公式（3），ER1代表一定周期內，單片機采集到的一次側電流與n（二次側線圈匝數與一次側線圈匝數的比值）倍的二次側電流的差值的平方的累計值；ER2代表此周期內，單片機采集到的一次側電流與n倍的二次側電流之和的平方的累計值。當一次電流與二次電流波形相同時，其電流方向一致，即iL與iR同向，則有ER1/ER2小于1；反之，一次電流與二次電流波形相反時，電流方向相反，即iL與iR反向，則有ER1/ER2大于1。

令ρ=ER1/ER2，將其定義為極性波形相似系數，即可得到極性判據：當ρ＜1，一次電流與二次電流波形相同即同極性；當ρ＞1，一次電流與二次電流波形相反即反極性。

2 智能CT極性測試裝置設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

智能CT測試裝置主要組成部分為：用于人機交互的觸屏顯示器、邏輯控制與數據運算的單片機系統(tǒng)、蓄電池供電系統(tǒng)、DC/DC變換的電容充電器、電容器、自動切換開關、兩路電流采集器等。觸屏顯示器顯示所有單元的采集數據，并將數據分析結果實時顯示，人工可通過屏幕界面下達測試命令，控制裝置運行與參數設置等。主控單片機系統(tǒng)根據命令控制電容充電器、自動切換開關，并接收電流采集數據，進行數據融合計算，將結果上送到顯示器。

該裝置考慮工作電源取電不確定因素設計內部鋰電池供電，極大地方便現(xiàn)場測試人員。DC/DC變換的電容充電器起到升壓的作用，將9V的蓄電池電壓提升到36V給電容充電。自動切換開關有三個位置狀態(tài)，分別是充電、放電、斷開，位置由單片機控制。電流采集器采集CT一二次電流，并上送至單片機。

在本設計中，為了安全考慮，電容電壓設定在50V以內，容量100UF。電容放電電流相對來說比較小，通常CT變電大于100，經過變換后二次CT二次電流非常小，電流采樣回路要求更高。圖3為電流采樣原理?；魻杺鞲衅魇呛涟布墑e閉環(huán)反饋式霍爾電流傳感器，霍爾傳感器檢測電流轉換成電壓值，輸入后級電路與直流電壓檢測電路一致。

圖3 電流采樣原理

2.2 系統(tǒng)軟件設計

智能CT測試裝置軟件子模塊設計包括LVGL界面顯示模塊、ADC采集模塊、開關處理模塊、數據融合解算模塊等。如圖4所示，系統(tǒng)上電后首先對單片機各個外設進行初始化，然后根據程序配置各個模塊至初始狀態(tài)。當人機交互觸發(fā)CT檢測后，單片機控制GPIO輸出有效電平切換開關并進行ADC檢測，配合DMA外設將大量檢測數據快速轉運至緩沖區(qū)。然后對緩沖區(qū)數據進行數字濾波處理與算法解算，得出CT極性，并將運算結果更新于顯示觸摸屏。

圖4 電流采樣原理

2.3 系統(tǒng)工作流程

如圖5所示，智能CT測試裝置工作流程如下，開始檢測時，將自動轉換開關轉至電池側先對電容充電，待電容充滿后自動轉換開關轉至放電位置進行放電，開始檢測。電流采集器采集電容放電在CT兩側產生的電流，將電流信號輸入至電流采樣電路，經過運放處理輸出電壓信號，并將采集的電壓信號上送至單片機系統(tǒng)。在單片機中，根據采集到的數據，進行程序運算，計算極性波形相似系數，得到CT極性，然后輸出結果至顯示屏。

圖5 智能CT測試裝置工作流程

3 實際應用

針對主流CT極性測試的流程進行歸納總結，對測試過程中存在的問題，特別是作業(yè)風險點進行分析，創(chuàng)新設計出基于電容放電模型的智能CT測試裝置。解決了以往須多人配合以及工作效率低的情況，并且從根源杜絕了CT極性測試遇到的防觸電、免登高風險點問題。該裝置考慮現(xiàn)場工作電源取電困難或其他不確定因素，設計內部鋰電池供電，攜帶使用便利，極大提高了現(xiàn)場測試人員工作效率。人機交互界面美觀大氣，顯示簡潔，觸摸屏操作方便，可快速上手操作測量，可廣泛應用于電力系統(tǒng)需進行CT極性檢測的場合。

本裝置選在某110kV變電站的110kV線路進行CT極性實測，CT的變比為800:1。通過伸縮測試棒將P端測試線搭接在如圖6所示位置上。測試裝置上一次側的紅線（P1）接CT一次側（P1）極性端，黑線（P2）接CT一次側（P2）極性端；測試儀上二次側的紅線（S1）接CT二次側（S2）極性端，黑線（S2）接CT二次側（S1）極性端。確認P1、P2、S1、S2接線無誤，點擊觸摸屏幕“使能”按鍵，此時將彈出“是否設置站名、間隔、線路信息”對話框，點擊“是”將彈出鍵盤對各個參數進行設置，設置完成保存后即可進行測試，按“否”將直接跳轉測試。

圖6 智能CT測試點

如圖7所示，測試結果快速顯示。屏幕中心對話框顯示測試結果（此時為“反極性+”）、視圖動態(tài)圖表顯示測試次數及測試結果“+”或“-”。結果顯示連續(xù)5次測量均為反極性，與實際CT極性一致，表明裝置檢測的穩(wěn)定性與準確性。

圖7 測試結果

本文簡述了智能CT測試裝置組成及應用，并針對智能CT測試裝置設計主要做了以下工作：分析了CT一次側加低壓電容，二次側檢測電流的方法來判斷極性原理，得出CT一次側加低壓電容，二次側檢測電流的方法可行性的結論；在電容法測極性的基礎上，提出來極性波形相似系數的極性判據：當ρ＜1，一次電流與二次電流波形相同即同極性。當ρ＞1，一次電流與二次電流波形相反即反極性；給出了智能CT測試裝置主體設計方案并針對性給出了電流采樣電路設計、軟件基本設計思路，以及裝置使用的工作流程；最后通過樣機在現(xiàn)場測試驗證了裝置的在CT極性測試的正確性。