DQZHAN技術(shù)訊：CT分析儀如何保證對(duì)電流互感器狀態(tài)和準(zhǔn)確度的校驗(yàn)

摘要：CT分析儀是電流互感器準(zhǔn)確度現(xiàn)場(chǎng)檢定的必備儀器。傳統(tǒng)電流互感器測(cè)試方法，主要為測(cè)差法，由于原理上的局限，使得電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定極為不便。本文設(shè)計(jì)研制的CT分析儀采用新的間接測(cè)試方法—低壓法，它是通過(guò)測(cè)量 CT 的內(nèi)部參數(shù)來(lái)獲取電流互感器的比差和角差。儀器按照智能化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合數(shù)字采樣技術(shù)，以DSP微處理器為核心，采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法，僅用一臺(tái)儀器即可實(shí)現(xiàn)電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定，有效的解決了電流互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的難題。

1 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)中較重要的高壓設(shè)備之一，它被廣泛用于電力系統(tǒng)的電流測(cè)量和繼電保護(hù)中，在正常運(yùn)行情況下，電流互感器能夠保證所在電氣回路電流量的準(zhǔn)確傳變。但是，由于電流互感器主要由非線性的電磁元件組成，非線性元件會(huì)對(duì)互感器的暫態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生**影響，甚至出現(xiàn)飽和問(wèn)題致使電流互感器的二次側(cè)無(wú)法如實(shí)反映一次側(cè)電流的變化情況。因此對(duì)電流互感器的暫態(tài)特性和剩磁進(jìn)行分析確保其狀態(tài)和準(zhǔn)確度是保證電力系統(tǒng)**，可靠，高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

CT分析儀是對(duì)電流互感器狀態(tài)和準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)的必備儀器。早期的CT分析儀是比較式的，即將標(biāo)準(zhǔn)和被檢互感器的二次電流分別輸入儀器，通過(guò)儀器內(nèi)部的電阻元件轉(zhuǎn)換為名義值相同的電壓，再減出二者電壓之相量差，折算為被檢互感器相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)互感器的比值差和相位差。這種直接比較式校驗(yàn)儀，由于電阻元件參加轉(zhuǎn)換，其誤差就是校驗(yàn)儀的測(cè)量誤差，因此這種校驗(yàn)儀只能用來(lái)檢定比電阻元件準(zhǔn)確度低一個(gè)數(shù)量級(jí)的0.1級(jí)以下的低精度互感器。后來(lái)CT分析儀發(fā)展為測(cè)差式，就是將標(biāo)準(zhǔn)和被校互感器的二次電流之差輸入分析儀內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，儀器內(nèi)部元件的誤差，僅是儀器讀數(shù)的誤差，也就是互感器誤差的誤差。這樣的分析儀就能用來(lái)檢定高精度互感器【1】。

按照早期的測(cè)試方法檢定電流互感器需要比被檢互感器高兩個(gè)等級(jí)或以上的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、互感器分析儀、電流負(fù)載箱和相應(yīng)的升流設(shè)備，由于現(xiàn)場(chǎng)使用的電流較大，通常一套標(biāo)稱2000A以下設(shè)備的總重量不低于200kg，使用非常不方便;另外，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要線路停電，由于設(shè)備龐大，接線時(shí)間很長(zhǎng)，要求停電的時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)供電系統(tǒng)的影響比較大;還有些電流互感器電流太大，需要的大電流導(dǎo)線又粗又長(zhǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)需要吊車的配合才能接線，即使這樣，也不一定能升到額定電流。因此，目前電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)只是對(duì)部分電流互感器而言。在許多場(chǎng)合，應(yīng)用傳統(tǒng)的電流互感器檢定方法困難重重【2】。

鑒于早期的電流互感器檢定方法已經(jīng)不能適應(yīng)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要，本文設(shè)計(jì)研制了一種基于低壓原理CT分析儀。主要應(yīng)用于電流互感器的二次時(shí)間常數(shù)Ts、拐點(diǎn)、復(fù)合誤差、剩磁系數(shù)、暫態(tài)特性(TP級(jí)CT)等參數(shù)測(cè)試。

2 分析儀測(cè)試原理

2.1 直接法原理

早期的CT校驗(yàn)采用直接比較法【3】，如圖1所示，校驗(yàn)時(shí)要求將電流*大升到額定一次電流的120%，標(biāo)準(zhǔn)CT與被試互感器進(jìn)行比較，通過(guò)互感器校驗(yàn)儀測(cè)量誤差。該方法在校驗(yàn)特大CT、GIS中的CT時(shí)存在的主要問(wèn)題是：由于電流大或一次回路太長(zhǎng)，校驗(yàn)時(shí)升流設(shè)備很難滿足要求。

圖1 直接比較法校驗(yàn)儀原理圖

2.2 測(cè)差法原理

CT校驗(yàn)儀發(fā)展為測(cè)差式【4】，如圖2所示，就是將標(biāo)準(zhǔn)和被校CT的二次電流送入到CT校驗(yàn)儀的差接電路(即取差電路)，然后將差接電路得到的差值輸入到測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，*后與標(biāo)準(zhǔn)互感器二次電流比較，得出被檢CT相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CT的比差值與角差值。

2.3 直流低壓法原理

依據(jù)互感器的基本理論，電流互感器的等效電路如圖3所示，圖中Ip為CT二次理想電流、Ie為泄漏電流、Is為CT二次實(shí)際電流、G為導(dǎo)納實(shí)部、B為導(dǎo)納虛部、Rs為二次繞組直流電阻、Xs為漏抗、Zb為二次負(fù)載。

圖3 CT二次等效電路圖

依據(jù)等效電路圖和經(jīng)典誤差理論，可知CT的部分誤差是由CT的導(dǎo)納等因素造成的泄漏電流Ie引起的，其誤差的表達(dá)式為：f=-Ie/Ip;由變比引起的CT誤差為： (SR-N)/N。因此CT綜合誤差的表達(dá)式如下：

F=[1+(-Ie/Ip)]?[1+(SR?N)/N]-1=(SR-N)/N?Ie/Ip?[(SR-N)/N](Ie/Ip) (1.1)

式(1.1)中：Ie=Is(Rs+jXs+Zb)(G?jB) (1.2)

因此(1.1)式可簡(jiǎn)化為F=(SR-N)/N?(Rs+jXs+Zb)(G?jB)Is/Ip (1.3)

考慮對(duì)于2級(jí)以上的互感器有：Is≈Ip; 將式(1.3)中的實(shí)部和虛部分開(kāi)，得:

比差公式 f=-{G(Rs+ZbcosΦ)+B(Xs+ZbsinΦ)}+(SR/N-1) (1.4)

角差公式 δ= {B(Rs+ZbcosΦ)-G(Xs+ZbsinΦ)} (1.5)

式中：Xs為漏抗,Zb為二次負(fù)載,SR為CT額定電流比,N為CT實(shí)際電流比,Φ為二次負(fù)荷的功率因數(shù)角。

其中漏抗Xs可以忽略即令Xs=0。則只要測(cè)出N(實(shí)際電流比)，Rs(二次繞組直流電阻)，Y=G-jB(繞組在Es激勵(lì)下50Hz的導(dǎo)納)和二次負(fù)載Zb，代入(1.4)、(1.5)式中則可以計(jì)算出CT的比差和角差。其中測(cè)量導(dǎo)納Y二次側(cè)所加的激勵(lì)Es 為實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)二次繞組中的感應(yīng)電勢(shì)，經(jīng)過(guò)微機(jī)處理計(jì)算即可求得Y值。直流低壓測(cè)試原理的關(guān)鍵在于實(shí)際電流比N的測(cè)量。依據(jù)互易原理，在保持CT鐵心磁化狀態(tài)不變的情況下，其實(shí)際電流比N等于用互易原理所得的實(shí)際電壓比K,K的測(cè)試方法是在二次繞組加低壓，同時(shí)測(cè)得一次繞組的感應(yīng)電壓，將這兩個(gè)信號(hào)送入DSP中進(jìn)行處理計(jì)算而得，然后代入公式即可測(cè)得比差和角差。

3 CT分析儀設(shè)計(jì)

本CT分析儀正是基于上述低壓法，采用DSP處理器芯片，具備電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)、飽和曲線測(cè)試、CT二次負(fù)荷測(cè)量等多種功能。其測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 CT分析儀原理框圖

采用查詢方式完成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)采集。當(dāng)輸入電壓信號(hào)超過(guò)設(shè)定的參考電壓時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器輸出超量程信息，而當(dāng)輸入電壓信號(hào)小于設(shè)定的參考電壓時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器輸出欠量程信息。程序根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換輸出的超欠信息判別量程是否適當(dāng)。在自動(dòng)量程選擇期間，系統(tǒng)不響應(yīng)鍵盤中斷。在自動(dòng)量程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用逐級(jí)比較的方法進(jìn)行。為了保持A、B信號(hào)通道的增益比例不變，采取了同步措施，即兩個(gè)通道增益倍數(shù)一致變化，這樣 該電路**增益精度并不重要。測(cè)量二次繞組直流電阻需要用直流電源，測(cè)量導(dǎo)納和變比需要交流電源。因此儀器必須同時(shí)具備直流輸出和交流輸出的能力。為確保信號(hào)源要求精度采用模擬器件(Analal device)公司的AD7538芯片作為數(shù)字信號(hào)源【5】。為了提高輸出波形頻率的穩(wěn)定性，振蕩器采用了晶體振蕩器，該振蕩器(或分頻后)可以和DSP的時(shí)鐘同用一個(gè)電路。由于晶體振蕩器的高穩(wěn)定性和鎖相環(huán)的優(yōu)良特性，波形發(fā)生器的輸出頻率能達(dá)到更高的精度【6】。

4分析儀特點(diǎn)及試驗(yàn)

4.1主要特點(diǎn)

(1)功能**，滿足各類CT(如：保護(hù)類、計(jì)量類、TP 類)的伏安特性、變比、極性、二次繞組電阻、二次負(fù)荷、比差以及角差等測(cè)試要求。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)檢定電流互感器無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、升流器、負(fù)載箱、調(diào)壓控制箱以及大電流導(dǎo)線，使用極為簡(jiǎn)單的測(cè)試接線和操作實(shí)現(xiàn)電流互感器的檢定，極大的降低了工作強(qiáng)度和提高了工作效率，方便現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作。

(3)可**測(cè)量變比差與角差，比差*大允許誤差±0.05%，角差*大允許誤差±5min，能夠進(jìn)行0.2S 級(jí)電流互感器的測(cè)量，變比測(cè)量范圍為1~40000。

(4) 自動(dòng)給出拐點(diǎn)電壓/電流、誤差曲線、二次時(shí)間常數(shù)(Ts)、剩磁系數(shù)(Kr)、飽和及不飽和電感等CT參數(shù)。

(5)裝置可存儲(chǔ)1000 組測(cè)試數(shù)據(jù)，掉電不丟失。

(6)易于攜帶，重量<9Kg。

4.2 CT試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)電流互感器進(jìn)行測(cè)試前，先對(duì)CT分析儀進(jìn)行自檢，自檢界面如圖5所示，在萬(wàn)用表的幫助下，檢查分析儀是否損壞，測(cè)量電路是否正常。自檢合格后，進(jìn)行接線，對(duì)電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的比值差表將顯示不同額定電流百分比和不同負(fù)荷值情況下被測(cè)CT的比值差與相位差.