一種手持式電流互感器二次回路檢查儀的研制

董升 范旭明 張一航 曹旭華 王彥浩

摘 要： 采用直流法的極性測(cè)試儀，該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過(guò)檢測(cè)一次繞組感應(yīng)的電壓方向來(lái)判斷極性，由于施加的直流電壓低，對(duì)于大變比的電流互感器，一次感應(yīng)的電壓信號(hào)太過(guò)弱小，導(dǎo)致測(cè)試誤差。通過(guò)在原直流法的極性測(cè)試儀基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)備，采用可調(diào)恒流電源向電流互感器一次回路注入恒定電流，檢測(cè)二次繞組的開(kāi)口電壓來(lái)判斷極性，同時(shí)，還可以使用該恒流源進(jìn)行電流互感器二次實(shí)際負(fù)荷的測(cè)試，該二次回路檢查儀準(zhǔn)確度高，抗振性好，體積小，重量輕，攜帶方便。

關(guān)鍵詞： 電流互感器 二次回路 極性檢查 負(fù)載測(cè)試

中圖分類號(hào)： TM63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2023）11-0043-03

電流互感器（CT）是電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵設(shè)備之一，其準(zhǔn)確與否將直接影響保護(hù)裝置動(dòng)作準(zhǔn)確性。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)程，電流互感器在交接及大修前后應(yīng)進(jìn)行極性試驗(yàn)，以防在接線時(shí)將極性弄錯(cuò)，造成在繼電保護(hù)回路上和計(jì)量回路中引起保護(hù)裝置錯(cuò)誤動(dòng)作和不能夠正確地進(jìn)行測(cè)量，所以必須在投運(yùn)前做極性試驗(yàn)。目前市面上主要有兩種方法進(jìn)行電流互感器的極性測(cè)試。（1）采用互感器綜合測(cè)試儀進(jìn)行電流互感器變比極性試驗(yàn)，該方法向電流互感器一次注入電流、檢測(cè)二次電流，進(jìn)而計(jì)算出變比、極性結(jié)果，所用設(shè)備體積大、重量重，且需要220 V/380 V電源，過(guò)程繁瑣、效率低。（2）采用直流法的極性測(cè)試儀，該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過(guò)檢測(cè)一次繞組感應(yīng)的電壓方向來(lái)判斷極性?；谠摲椒ǖ脑O(shè)備輕巧易用，但是由于施加的直流電壓低，對(duì)于大變比的電流互感器，一次感應(yīng)的電壓信號(hào)太過(guò)弱小，導(dǎo)致測(cè)試誤差大。王斌武等人[1]研制了電流互感器回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。張瑞明[2]研制了一種電流互感器二次回路接地點(diǎn)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)發(fā)電廠電流互感器二次回路接地點(diǎn)的接地情況。韋俊年和郭霽月[3]利用電流互感器極性的特點(diǎn)制作手持式電流互感器極性測(cè)試儀，但是功能單一。張傳貴[4]介紹電流互感器二次回路接地故障排查方法及預(yù)防措施。姜春陽(yáng)等人[5]開(kāi)發(fā)出電流互感器二次回路監(jiān)測(cè)模塊，并將其成功擴(kuò)展應(yīng)用于專變采集終端中。王海元等人[6]介紹了電能計(jì)量裝置二次回路誤差分析與應(yīng)對(duì)措施。李清華[7]詳細(xì)表述了電流互感器的極性及其接線方式。

本文研制的電流互感器二次回路檢查儀是在原直流法的極性測(cè)試儀的基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)備，其采用可調(diào)恒流電源向電流互感器一次回路注入恒定電流，檢測(cè)二次繞組的開(kāi)口電壓來(lái)判斷極性。同時(shí)還可以使用該恒流源進(jìn)行電流互感器二次實(shí)際負(fù)荷的測(cè)試。該儀器采用真彩色液晶顯示器，全中文圖形化操作界面并配有漢字提示信息、多參量顯示的液晶顯示界面，人機(jī)對(duì)話界面友好。全觸摸式導(dǎo)電硅膠鍵盤(pán)操作方式，操作手感好，簡(jiǎn)便易用。

1 功能特點(diǎn)

（1）該儀器采用鋰電池供電，無(wú)須額外電源非常便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

（2）高效易用：該儀器既可用于電流互感器二次繞組極性檢查，也能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)校核電流互感器的二次負(fù)荷。

（3）準(zhǔn)確度高：采用恒流源向電流互感器一次繞組施加電流，檢測(cè)二次繞組開(kāi)口電壓進(jìn)行極性判斷，無(wú)論電流互感器變比的大小，都能準(zhǔn)確地檢測(cè)二次繞組極性；本儀器所用的測(cè)試源是數(shù)字合成的標(biāo)準(zhǔn)正弦數(shù)字源，失真度小，測(cè)試實(shí)際二次負(fù)荷更精確。

（4）抗振性好：軍品接插件的使用增強(qiáng)了抗振性能。

（5）采用4.3寸高清真彩液晶屏，顯示接線圖和結(jié)果更直觀，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須說(shuō)明書(shū)即可指導(dǎo)試驗(yàn)。

（6）內(nèi)部具備高容量鋰離子充電電池，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需任何電源即可完成測(cè)試工作，一次充滿可以連續(xù)進(jìn)行1 000次以上的測(cè)量。

（7）體積小，重量輕，攜帶方便。

2 測(cè)試原理

2.1 電流互感器二次極性檢查

試驗(yàn)時(shí)，電流互感器一次繞組（或穿心線兩端）接入設(shè)備一次端子、二次繞組接入設(shè)備二次端子，此時(shí)儀器向一次繞組施加交流電流，5 A恒流源輸出，采樣二次繞組電壓，判斷加/減極性。

2.2 電流互感器二次負(fù)載測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)，電流互感器二次負(fù)載與二次繞組斷開(kāi)，二次負(fù)載端接入儀器（采用4端法接線），儀器向二次負(fù)載注入1 A或5 A（最大10 A）的交流電流，測(cè)量此時(shí)二次負(fù)載兩端電壓，進(jìn)而計(jì)算實(shí)際負(fù)載值。

2.3 結(jié)構(gòu)原理說(shuō)明

目前市面上主要有三方法進(jìn)行電流互感器的極性測(cè)試，具體如下。（1）采用直流法的極性測(cè)試儀。該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過(guò)檢測(cè)一次繞組感應(yīng)的電壓方向來(lái)判斷極性。（2）交流法電壓法。該方法大變比準(zhǔn)確度低。（3）交流電流法。向電流互感器一次繞組注入電流，檢測(cè)二次電流，通過(guò)兩側(cè)電流的相位得出極性結(jié)果，所用設(shè)備較多且體積大、重量重，需要220 V/380 V電源，過(guò)程繁瑣、效率低。基于該方法的設(shè)備輕巧易用，但是由于施加的直流電壓低，對(duì)于大變比的電流互感器，一次繞組感應(yīng)的電壓信號(hào)太過(guò)弱小，導(dǎo)致測(cè)試誤差大。

本儀器基于直流法的極性測(cè)試儀進(jìn)行創(chuàng)新，提出新型的電流互感器二次回路測(cè)量方法。本方法向電流互感器一次繞組注入恒定的交流電流，檢測(cè)二次繞組的電壓，由于一次側(cè)、二次側(cè)各端的電壓、電流同極性，因此通過(guò)比較二次電壓和一次電流的相位可得出兩側(cè)的極性結(jié)果。

市面上常規(guī)的負(fù)載測(cè)量方法就是通過(guò)儀器向二次負(fù)載注入恒定的交流電流，測(cè)量此時(shí)二次負(fù)載兩端電壓，進(jìn)而計(jì)算實(shí)際負(fù)載值。因此通過(guò)本方法可直接通過(guò)電流源供電得到電流互感器的二次極性和二次負(fù)載，并且設(shè)備小巧輕便、方便攜帶。

本設(shè)備信號(hào)采集模塊對(duì)輸出電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集的信號(hào)輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)中央處理器進(jìn)行處理分析，分析后的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)再通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行低通濾波，以消除噪聲和防止混疊現(xiàn)象，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的放大，處理后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)線性功放電路在保證不失真的情況下進(jìn)行功率放大，放大后的信號(hào)再傳遞給輸出端子，從而增強(qiáng)一次感應(yīng)的電壓信號(hào)，降低測(cè)試導(dǎo)致的誤差。

中央處理器（MCU）采用DDS技術(shù)（直接數(shù)字頻率合成技術(shù)）生成純正弦信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、功率放大后輸出到被試品。儀器輸出電流、輸出電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）進(jìn)行采樣并送入MCU，最終由MCU計(jì)算得到電流互感器二次極性、二次負(fù)載值。

其中線性功放電路包括微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、跟隨放大器、誤差放大環(huán)節(jié)、推挽放大環(huán)節(jié)構(gòu)成。信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行分析處理后輸送給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊具有較高的分辨率，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，隨后輸送給跟隨放大器，通過(guò)跟隨放大器將電流放大，以提高整個(gè)放大電路的帶負(fù)載能力。然后再將信號(hào)輸送至電容隔直模塊，通過(guò)電容隔直模塊過(guò)濾掉直流信號(hào)中的交流信號(hào)，使直流信號(hào)能夠順暢地流過(guò)電路，而不會(huì)受到交流信號(hào)的干擾。然后再將過(guò)濾后的信號(hào)輸送至誤差放大器，通過(guò)誤差放大器將輸出采樣電壓和參考電壓進(jìn)行比較并產(chǎn)生誤差放大信號(hào)，用該誤差來(lái)校正控制脈沖占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。穩(wěn)定后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)二極管進(jìn)行單向輸送，并經(jīng)過(guò)三極管達(dá)到信號(hào)放大的目的，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出0～5 A的交流恒流源。

0～5 A交流恒流源在二次極性測(cè)量中緩慢增加供給一次回路，當(dāng)二次回路的感應(yīng)電壓可精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)（如達(dá)到1 V），一次回路的輸入電流保持恒定，此時(shí)MCU通過(guò)輸出電流（一次回路輸入電流）與采集的電壓信號(hào)（二次感應(yīng)電壓）的相位得到兩側(cè)的極性關(guān)系。二次極性的判斷方法如下：如果輸出電流相位（一次回路）與采集的電壓信號(hào)（二次感應(yīng)電壓）相位相同，則為減極性；否則為加極性。

2.4 結(jié)構(gòu)外觀

儀器由主機(jī)和配件箱兩部分組成，其中主機(jī)是儀器的核心，所有的電氣部分都在主機(jī)內(nèi)部，其主機(jī)采用手持式注塑機(jī)箱，堅(jiān)固耐用，配件箱用來(lái)放置測(cè)試導(dǎo)線及工具。

儀器頂端部分是接線端子，正面上部是彩色液晶屏，下部是標(biāo)準(zhǔn)13鍵的控制鍵盤(pán)；在儀器的右側(cè)可看到USB-A接口、充電接口、MINI-USB接口。

接線端子的意義如下：I+、I-為電流輸出端子；U+、U-為4端法測(cè)量負(fù)荷時(shí)的電壓采樣端子；S1、S2為極性測(cè)試時(shí)的二次繞組端電壓采樣端子。

2.5 功能說(shuō)明

鍵盤(pán)共有13個(gè)鍵，分別為輔助功能鍵（F1、F2、F3、F4）、保存鍵、光標(biāo)移動(dòng)鍵（↑、↓、←、→）、ESC鍵、確認(rèn)鍵、菜單鍵、電源鍵。

2.5.1 各鍵功能

（1）光標(biāo)移動(dòng)鍵（↑、↓、←、→）。在主菜單中用來(lái)移動(dòng)光標(biāo)，使其指向某個(gè)功能菜單，按確認(rèn)鍵即可進(jìn)入相應(yīng)的功能；在參數(shù)設(shè)置功能屏下左右鍵用來(lái)切換當(dāng)前選項(xiàng)，上下鍵改變數(shù)值。

（2）菜單鍵。在主菜單下，按此鍵顯示菜單子目錄；在子目錄下，按下此鍵即進(jìn)入被選中的功能；另外在輸入某些參數(shù)時(shí)，開(kāi)始輸入和結(jié)束輸入。

（3）ESC鍵。返回鍵，按下此鍵均直接返回上級(jí)菜單。

（4）確認(rèn)鍵。用來(lái)確認(rèn)使所設(shè)置的參數(shù)生效或者進(jìn)入所選擇的屏。

（5）保存鍵。用來(lái)將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)為記錄的形式。

（6）輔助功能鍵（F1、F2、F3、F4）。在不同的界面下，對(duì)應(yīng)的功能軟件有提示。

（7）電源鍵。長(zhǎng)按實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)功能。

2.5.2 功能界面

當(dāng)開(kāi)機(jī)后顯示主菜單。主菜單共有五個(gè)功能選項(xiàng)，包括極性測(cè)試、負(fù)荷測(cè)、歷史記錄、系統(tǒng)設(shè)置、廠家設(shè)置。通過(guò)←、→鍵進(jìn)行選擇，按確定鍵進(jìn)入相應(yīng)功能界面；屏幕頂端一行顯示狀態(tài)參量，包括時(shí)間、內(nèi)部電池的電壓幅值和剩余電量，以便操作人員隨時(shí)觀察儀器電池狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池虧電時(shí)可及時(shí)充電；屏幕最下方一行為提示欄，為用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作提示，方便用戶正確操作。

極性測(cè)試界面：在此頁(yè)面中，F(xiàn)1為開(kāi)始測(cè)試；F2為保存測(cè)試結(jié)果；F3為進(jìn)入負(fù)荷測(cè)試功能模塊；F4為退出當(dāng)前界面，返回主界面。

2.6 技術(shù)指標(biāo)

2.7 電池維護(hù)

手持式電流互感器二次回路檢查儀采用高性能鋰離子充電電池作為內(nèi)部電源，操作人員不能隨意更換其他類型的電池，避免因電平不兼容而造成對(duì)儀器的損害。儀器須及時(shí)充電，避免電池深度放電影響電池壽命，正常使用的情況下盡可能每天充電（長(zhǎng)期不用最好在一個(gè)月內(nèi)充一次電），以免影響使用和電池壽命，每次充電時(shí)間應(yīng)在6 h以上，因內(nèi)部有充電保護(hù)功能，可以對(duì)儀器連續(xù)充電。每次將電池從儀器中取出后儀器內(nèi)部的電池保護(hù)板自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，重新裝入電池后，不能直接工作，需要用充電器給加電使之解除保護(hù)狀態(tài)，才可正常工作。

2.8 使用注意事項(xiàng)

（1）在測(cè)量前要確保被測(cè)設(shè)備處于停電狀態(tài)，各測(cè)試端子不能接地。（2）測(cè)量接線一定要嚴(yán)格按說(shuō)明書(shū)操作，否則后果自負(fù)。（3）測(cè)試之前一定要認(rèn)真檢查設(shè)置的參數(shù)是否正確。（4）充電時(shí)最好使用有地線的電源插座。（5）不能在過(guò)量限的情況下工作。（6）嚴(yán)禁高低壓接反。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于直流法的極性測(cè)試儀進(jìn)行創(chuàng)新，提出新型的電流互感器二次回路測(cè)量方法。研制的新型的電流互感器二次回路測(cè)量檢查儀器，可直接向電流互感器一次繞組注入恒定的交流電流，由于一次側(cè)、二次側(cè)各端的電壓、電流同極性，通過(guò)電流源供電得到電流互感器的二次極性和二次負(fù)載，并將電流互感器二次極性查找與負(fù)載測(cè)試功能合二為一，裝備攜帶輕便。

參考文獻(xiàn)

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