基于異頻小信號測試原理的互感器校驗儀的研制

文/陳龍瑾 孫延松 戚斌 吳達(dá)雷 容斌

基于異頻小信號測試原理的互感器校驗儀的研制

文/陳龍瑾 孫延松 戚斌 吳達(dá)雷 容斌

互感器包括電壓互感器和電流互感器，是電能計量的主要器具，是計量法規(guī)定的強檢計量設(shè)備之一。根據(jù)國家規(guī)程要求必須要對安裝在現(xiàn)場的互感器進行新裝前和運行中的周期性檢測。為解決互感器檢測行業(yè)現(xiàn)存在的諸多問題，本文提出研究一種基于異頻小信號測試原理的便攜式互感器校驗儀裝置。該裝置可兼容電壓、電流（含GIS、套管、發(fā)電機出口的互感器）互感器誤差（比差、角差）、變比、阻抗等參數(shù)測試功能。該裝置的成功研制對互感器檢測具有重要的實際意義和使用價值。

電壓互感器 電流互感器 便攜式校驗儀 異頻小信號

電壓互感器和電流互感器又稱儀用互感器，是電力系統(tǒng)中經(jīng)常使用的測量設(shè)備，是電能計量中不可或缺的主要器具。根據(jù)國家規(guī)程要求必須要對安裝在現(xiàn)場的互感器進行新裝前和運行中的周期性檢測。目前，行業(yè)內(nèi)對于安裝在現(xiàn)場的互感器進行檢測時常用方法有比較法和低壓外推法。

比較法采用的是測差原理，即將被檢電壓（電流）互感器與標(biāo)準(zhǔn)電壓（電流）互感器接成并聯(lián)（串聯(lián)）回路，在一次側(cè)施加相同的電壓（電流）,以一定的二次電壓（電流）作為標(biāo)準(zhǔn)電壓（電流），取得二次差壓（差流）信號，對采集回來差壓（差流）信號利用相關(guān)公式進行推導(dǎo)計算即可得到互感器的比差和角差。

按互感器檢測規(guī)程要求，采用比較法檢測互感器時，需要使用升壓/升流裝置、標(biāo)準(zhǔn)PT/CT、負(fù)荷箱、校驗儀、大電流導(dǎo)線等設(shè)備。測試時，對互感器一次側(cè)升高壓/大電流。因此，該方法具有設(shè)備多、體積大、接線操作復(fù)雜、需電源容量大、安全性差等弊端，尤其對于一次回路存在寄生電容、引線長的GIS（封閉式組合電器）內(nèi)的互感器，因無功分量消耗大，升壓/升流困難而難以開展現(xiàn)場檢測，同時受現(xiàn)場空間狹小的因素，開關(guān)柜內(nèi)互感器也很難在現(xiàn)場開展檢測工作。

為實現(xiàn)研制的校驗儀區(qū)別于上述比較法存在的弊端，因此，本文提出研制一種采用低壓外推法原理的便攜式互感器校驗儀，通過采用施加異頻測試信號對現(xiàn)場互感器進行檢測的方式，實現(xiàn)在現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下也能準(zhǔn)確完成對互感器性能參數(shù)的檢測。解決了現(xiàn)有低壓外推法類設(shè)備現(xiàn)場檢測精度差、穩(wěn)定性差的難題，提高測試人員對于被檢互感器檢測數(shù)據(jù)進行分析時的準(zhǔn)確性和可靠性，提高現(xiàn)場檢測工作的效率。

1 基本原理

1.1 異頻小信號測試原理

小信號是相對于比較法在檢定互感器時對互感器一次側(cè)升高壓/大電流而言，在采用小信號測試時主要采用小電壓和小電流。異頻信號是指測試時裝置輸出的測試信號頻率與工頻信號（50Hz）不同。這樣可以提高校驗儀在復(fù)雜的電磁環(huán)境下的抗干擾能力。我們在工頻信號±10%波動的范圍內(nèi)進行選取。裝置在采用小信號的基礎(chǔ)上，輸出40～60Hz之間的異頻信號對互感器相關(guān)參數(shù)進行測試，再利用相關(guān)公式換算成工頻信號（50Hz）下的測試結(jié)果。

1.2 測試?yán)碚?/h3>

1.2.1 PT測試?yán)碚?/h4>

根據(jù)電壓互感器的等效電路圖和經(jīng)典誤差理論，可知，由于勵磁電流、繞組電阻及電抗的存在，導(dǎo)致互感器在測量中由于實際變比與額定變比的不相等，一、二次電壓相位的偏移，產(chǎn)生電壓比值誤差和相位誤差。

圖1中：V1：一次電壓；K：電壓互感器標(biāo)稱變比；

Z1′:一次繞組內(nèi)阻Z1折算到二次的值；Z2：二次繞組的內(nèi)阻抗；

Y1′：一次勵磁導(dǎo)納Y1折算到二次的值；Yb：二次負(fù)載的導(dǎo)納；

V2：二次側(cè)的實際電壓；V1/K：理想狀態(tài)下的二次標(biāo)準(zhǔn)電壓。

如圖1，根據(jù)電壓互感器誤差定義，可得：

由公式（1）可以看出，電壓互感器存在的測量誤差，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是空載誤差（-Z1′Y1′）,它只與勵磁導(dǎo)納Y1和一次繞組空載漏阻抗Z1有關(guān)，而與二次繞組的負(fù)荷無關(guān)，只要一次測電壓大小不變，勵磁導(dǎo)納Y1就不變，空載誤差就不變；二是因為負(fù)載過大，二次側(cè)電流過大引起漏阻抗壓降變大，即為負(fù)載誤差-(Z1′+Z2)Yb，它與勵磁導(dǎo)納無關(guān)，它與一次繞組空載漏阻抗Z1和二次繞組的空載漏阻抗Z2及二次負(fù)荷Yb大小有關(guān)。

因此，采用異頻小信號測試法只需測量出電壓互感器的變比、一次阻抗、二次阻抗、勵磁導(dǎo)納等參數(shù),結(jié)合電壓互感器經(jīng)典誤差公式，就可計算出電壓互感器在不同電壓點、不同負(fù)荷下的誤差。

圖1：電壓互感器等效電路圖

圖2：理想等效電路

圖3：電流互感器原理圖

圖4：電流互感器等效電路圖

根據(jù)異頻小信號測試法的工作原理，一次測試回路阻抗影響實際變比的測試，而且對二次阻抗及勵磁導(dǎo)納測試結(jié)果的影響可以忽略。在忽略對二次阻抗及勵磁導(dǎo)納測試部分的影響，GIS內(nèi)置PT的等效電路圖如圖2所示，相當(dāng)于在PT回路上增加阻抗ZP。

根據(jù)電壓互感器誤差定義：

由式（2）做定性分析，當(dāng)回路阻抗ZP越大，誤差值ε越小。

綜上所述，最后只要測得出電壓互感器的變比、二次阻抗、勵磁導(dǎo)納等參數(shù)，再通過經(jīng)典誤差公式即可得出PT的比差和角差。本研究為實現(xiàn)一臺校驗儀可兼容對GIS內(nèi)互感器的誤差測試，針對GIS一次結(jié)構(gòu)的特殊性，由二次側(cè)模擬加壓，多頻率仿真的方法，優(yōu)化消除由于一次寄生電容和阻抗對誤差測試結(jié)果造成的干擾。

1.2.2 CT測試?yán)碚?/h4>

如圖3，假設(shè)電流互感器的的一次電流為I1，額定變比為SR，則二次標(biāo)準(zhǔn)電流為I1/SR。

令電流互感器的實際二次電流為I2x，實際變比為ka。則，由電流互感器的誤差定義可得：

表1：PT實驗驗證數(shù)據(jù)對比

表2：CT實驗驗證數(shù)據(jù)對比

表3：110kV變電站現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

表4：CT現(xiàn)場驗證數(shù)據(jù)對比

圖4電流互感器等效電路圖，Z2為電流互感器的二次內(nèi)阻抗；Z為電流互感器外部負(fù)載阻抗；Z0為電流互感器勵磁阻抗；即勵磁導(dǎo)納Y0的倒數(shù)；n1為電流互感器一次匝數(shù)；n2為電流互感器二次匝數(shù)。

則有ka=V1/V2，由式（3）我們可以推算出：

令：Z2=r2+jx2，Z=rL+jxL，Y0=G-jB則有：

比差：

綜上所述，我們只需準(zhǔn)確測量出被測CT的實際匝數(shù)比（n2/n1）、二次繞組阻抗（r2+jx2）和勵磁導(dǎo)納Y0，通過相關(guān)的公式推導(dǎo)，就能計算出電流互感器的誤差（比差、角差）。

2 設(shè)備研制

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上PT/CT的測試?yán)碚摚覀兿韧ㄟ^設(shè)備對電流互感器/電壓互感器的變比、阻抗及各電流/電壓點下勵磁和導(dǎo)納等參數(shù)進行測量，再通過信號的采集，上傳至系統(tǒng)處理器，利用軟件進行計算、優(yōu)化，最后將得出PT/CT不同電壓/電流點下的誤差結(jié)果。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

本研制校驗儀兼容性強，測量范圍寬，精度高。使用單臺設(shè)備即可完成對常規(guī)PT/CT各電壓/電流點的誤差測試，同時也可對組合電氣（GIS內(nèi)）的電磁式電壓/電流互感器的參數(shù)進行測量，并得出誤差結(jié)果。其主要參數(shù)如下：

（1）PT測量范圍：一次電壓1～1000kV；二次電壓：

CT測量范圍：0.5/1(2.5/5)---2500/1(12500/5)、2500/1(12500/5)--15000/1(75000/5)

（2）測試精度：優(yōu)于0.05級，最高可達(dá)0.02%

（3）二次負(fù)荷測量范圍：

CT:0～250VA；

PT:0～600VA

（4）工作電源：AC100～ 250V 50/60Hz；

（5）整機重量：9kg。

2.2 硬件電路設(shè)計

2.2.1 DSP底層及運算單元

DSP底層及運算單元主要由第一信號放大器、第一信號采集器、第一信號處理器、驅(qū)動模塊、和第一處理器組成。該單元可與人機交互單元進行雙向串口通訊，可接收來自鍵盤輸入的被測互感器的參數(shù)和測試命令。先由第一信號放大器輸出預(yù)設(shè)的測試信號對互感器進行模擬加壓/升流，再由第一信號采集器負(fù)責(zé)自動采集濾波后的反饋信號，最后由第一處理器對數(shù)據(jù)進行處理運算，結(jié)果向上輸出并在顯示屏上顯示結(jié)果。系統(tǒng)內(nèi)置有保護模塊，當(dāng)有異常情況發(fā)生時，保護模塊自動啟動，切斷相關(guān)電源使系統(tǒng)和測試人員不受傷害。

DSP采用的是TI公司生產(chǎn)的信號TMS320F2810芯片。同時采用AD公司的AD7600芯片進行采樣。兩款芯片性能優(yōu)異，可保證系統(tǒng)測試最小分辨率為0.05%，實際變比優(yōu)于0.03%。

在測試時，DSP快速對采集反饋的信號進行處理，可增強系統(tǒng)的邏輯運算能力和快速對被測對象建模，保證系統(tǒng)的運行效率和各部分電路控制正常。

2.2.2 ARM人機交互單元

人機交互單元采用基于Linux的嵌入式系統(tǒng)，核心采用AT91SAM7X512處理芯片，該芯片性能穩(wěn)定、安全性好，是32位RISC架構(gòu)，片內(nèi)集成了ARM公司的ARM7DTMI的Thumb處理器，高速Flash和SRAM，高密度16位指令，可滿足系統(tǒng)設(shè)計方案。通過與鍵盤模塊通信，接收鍵入的測試參數(shù)、發(fā)出測試命令，并將最終運算的的測試數(shù)據(jù)上傳到顯示屏，供用戶查看。同時系統(tǒng)還設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)USB通訊接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、打印等功能。

2.2.3 供電單元設(shè)計

供電單元為本系統(tǒng)其他單元模塊提供工作電源，設(shè)計可輸入AC100-250V，50/60HZ電源。

為保證設(shè)備正常可靠工作，在電源輸入時先進行濾波處理，并設(shè)計有過壓/過流保護，經(jīng)濾波處理后的電源信號輸入到UCOSEL的SMPS開關(guān)電源電路，最終轉(zhuǎn)換輸出DC12V供給其他模塊。在供給其他單元直流電源時，也設(shè)計有過壓/過流保護電路，確保測試人員及設(shè)備的安全。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)測試主程序工作流程如圖6示。

本測試系統(tǒng)具備設(shè)置調(diào)頻輸出、互感器參數(shù)自定義輸入、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)分析部分，為滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，因此采用了因此采用了基于 TI芯片組的 DSP開發(fā)平臺軟件，有效提高了數(shù)據(jù)的執(zhí)行和傳輸效率。

系統(tǒng)軟件利用了快速傅里葉變換（FFT）算法，因傅里葉變換是一種將信號從時域到頻域換轉(zhuǎn)換，這個轉(zhuǎn)換有助于研究信號的功率譜，使計算更有效率，是信號處理與數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域里最重要的算法之一。

3 測試驗證

3.1 實驗室驗證

我們在實驗室內(nèi)對一只0.5級的電壓互感器和一只0.02S級的電流互感器進行誤差測試，并將測試數(shù)據(jù)與比較法的測試數(shù)據(jù)進行對比，具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示：

（1）PT廠家：上海嘉定互感器廠；

（2）準(zhǔn)確度0.5級，負(fù)荷：30VA；

（3）型號：JDZJ-10。

（1）CT廠家：寧波三維；

圖5：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

（2）準(zhǔn)確度0.2S級，負(fù)荷：20VA；

（3）型號：HL06-2S。

3.3 現(xiàn)場實際測試

為驗證校驗儀在現(xiàn)場測試GIS PT/CT的實際測試效果，我們選取了貴港供電局110kV東湖變電站電壓互感器和貴港供電局110kV金垌變電站電流互感器進行實驗，并將測試結(jié)果與GIS PT/CT出廠值對比，如下：

（1）PT廠家：江蘇思源赫茲互感器有限公司；

（3）準(zhǔn)確度：0.2級，0.5級，0.5級，負(fù)荷：20VA，30VA，30VA；

1.CT廠家：北京四方繼保工程技術(shù)工程有限公司；

2.準(zhǔn)確度0.2S級，負(fù)荷：40VA；

3.型號：LGBJ-35。

4 結(jié)果分析

從實驗室和現(xiàn)場的測試情況來看，可得出以下結(jié)論：

根據(jù)電壓互感器檢定規(guī)程(JJG314-1994)和電流互感器檢定規(guī)程(JJG313-1994)有關(guān)PT/CT精度誤差的要求， 本研制的校驗儀對實驗室PT/CT和現(xiàn)場GIS式PT/CT的測試結(jié)果，測試數(shù)據(jù)不存在超差現(xiàn)象，符合其0.2級和0.5級標(biāo)稱精度要求。

5 結(jié)論

本研究所提出的基于異頻小信號測試原理的互感器校驗儀，具有兼容性強，測試精度高，安全性高，輕巧便攜等優(yōu)勢。通過他可以對常規(guī)電磁式電壓/電流互感器和GIS內(nèi)電磁互感器進行誤差、阻抗等多個參數(shù)的測試，測試結(jié)果滿足相關(guān)檢定規(guī)程的要求。極為方便現(xiàn)場或?qū)嶒炇沂褂茫行岣邔ジ衅鞯臋z測技術(shù)水平和工作效率。

圖6：系統(tǒng)測試主程序工作流程圖

[1]趙修明,趙屹濤.低壓外推法測定電流互感器誤差[J].電測與儀表,2004(12).

[2]趙玉富,林玉涵,楊乃貴,陳耀高,武坤.500kV電流互感器誤差小信號測試設(shè)備的研制[J].電測與儀表,2014(06).

[3]關(guān)志東,吳智海.一種新型便攜式電壓互感器校驗儀的研制[J].自動化應(yīng)用,2015.

[4]陸干文.鋼鐵企業(yè)配電網(wǎng)諧波抑制與無功補償研究[J].電機與電器,2010.

作者單位 海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電能計量中心 海南省海口市 570100

陳龍瑾（1988-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作。

孫延松（1972-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作。

戚斌（1970-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作。

吳達(dá)雷(1986-)，男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作。

容斌(1991-)，男，大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作。