云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局 段敬忠 譚振華 太 然 何林潤(rùn) 唐媛媛

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力用戶越來(lái)越多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。為了滿足發(fā)展的需要，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大規(guī)模，每年都有大量新建電力工程投運(yùn)。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(zhuǎn)換等重要作用。然而，多年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于CT極性和保護(hù)方向錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)的事情屢禁不止，嚴(yán)重影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

在新改擴(kuò)工程中，對(duì)CT二次回路進(jìn)行一次注流時(shí)僅能檢驗(yàn)電流二次回路的狀態(tài)，不能同步開(kāi)展極性測(cè)試。傳統(tǒng)的“點(diǎn)極性”暫態(tài)測(cè)試方法，存在電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度小、暫態(tài)過(guò)程時(shí)間短、分辨特征不明顯的問(wèn)題。此外，當(dāng)多次極性測(cè)定時(shí)，接線任務(wù)煩瑣，動(dòng)用人力資源較大，作業(yè)周期長(zhǎng)，且受限于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平和責(zé)任心，人工“點(diǎn)極性”的測(cè)試方法很容易出錯(cuò)。

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

1 CT極性測(cè)試原理

選擇CT極性前，要先確定CT的參考方向。對(duì)于CT的方向可以有兩種考慮，一種出于對(duì)差動(dòng)保護(hù)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(hù)設(shè)備方向或是全部與之相反即可，通常應(yīng)用于線路的差動(dòng)保護(hù)、主變的差動(dòng)保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)等；另一種則是出于負(fù)荷電流方向的考慮，其需要確切的電流流向，與電壓相結(jié)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(hù)、距離保護(hù)等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，同一個(gè)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(cè)加低壓電容，二次側(cè)檢測(cè)電流的方法來(lái)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(cè)電阻負(fù)荷。

圖1 電路模型

圖2 智能CT測(cè)試裝置功能框圖

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

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

1.2 極性判斷原理

CT一次側(cè)加低壓電容后，其電流為變化的電流，可以線性傳導(dǎo)到二次側(cè)。通過(guò)比較一次側(cè)電流與二次側(cè)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(yīng)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(shí)電流互感器的兩側(cè)波形相似，反之波形相反。在電容開(kāi)始放電后，在一段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)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(nèi)，單片機(jī)采集到的一次側(cè)電流與n（二次側(cè)線圈匝數(shù)與一次側(cè)線圈匝數(shù)的比值）倍的二次側(cè)電流的差值的平方的累計(jì)值；ER2代表此周期內(nèi)，單片機(jī)采集到的一次側(cè)電流與n倍的二次側(cè)電流之和的平方的累計(jì)值。當(dāng)一次電流與二次電流波形相同時(shí)，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(shí)，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(shù)，即可得到極性判據(jù)：當(dāng)ρ＜1，一次電流與二次電流波形相同即同極性；當(dāng)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(cè)試裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能CT測(cè)試裝置主要組成部分為：用于人機(jī)交互的觸屏顯示器、邏輯控制與數(shù)據(jù)運(yùn)算的單片機(jī)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)、兩路電流采集器等。觸屏顯示器顯示所有單元的采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，人工可通過(guò)屏幕界面下達(dá)測(cè)試命令，控制裝置運(yùn)行與參數(shù)設(shè)置等。主控單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)命令控制電容充電器、自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，并接收電流采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算，將結(jié)果上送到顯示器。

該裝置考慮工作電源取電不確定因素設(shè)計(jì)內(nèi)部鋰電池供電，極大地方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)有三個(gè)位置狀態(tài)，分別是充電、放電、斷開(kāi)，位置由單片機(jī)控制。電流采集器采集CT一二次電流，并上送至單片機(jī)。

在本設(shè)計(jì)中，為了安全考慮，電容電壓設(shè)定在50V以內(nèi)，容量100UF。電容放電電流相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，通常CT變電大于100，經(jīng)過(guò)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。霍爾傳感器是毫安級(jí)別閉環(huán)反饋式霍爾電流傳感器，霍爾傳感器檢測(cè)電流轉(zhuǎn)換成電壓值，輸入后級(jí)電路與直流電壓檢測(cè)電路一致。

圖3 電流采樣原理

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能CT測(cè)試裝置軟件子模塊設(shè)計(jì)包括LVGL界面顯示模塊、ADC采集模塊、開(kāi)關(guān)處理模塊、數(shù)據(jù)融合解算模塊等。如圖4所示，系統(tǒng)上電后首先對(duì)單片機(jī)各個(gè)外設(shè)進(jìn)行初始化，然后根據(jù)程序配置各個(gè)模塊至初始狀態(tài)。當(dāng)人機(jī)交互觸發(fā)CT檢測(cè)后，單片機(jī)控制GPIO輸出有效電平切換開(kāi)關(guān)并進(jìn)行ADC檢測(cè)，配合DMA外設(shè)將大量檢測(cè)數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)運(yùn)至緩沖區(qū)。然后對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理與算法解算，得出CT極性，并將運(yùn)算結(jié)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(cè)試裝置工作流程如下，開(kāi)始檢測(cè)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至電池側(cè)先對(duì)電容充電，待電容充滿后自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至放電位置進(jìn)行放電，開(kāi)始檢測(cè)。電流采集器采集電容放電在CT兩側(cè)產(chǎn)生的電流，將電流信號(hào)輸入至電流采樣電路，經(jīng)過(guò)運(yùn)放處理輸出電壓信號(hào)，并將采集的電壓信號(hào)上送至單片機(jī)系統(tǒng)。在單片機(jī)中，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序運(yùn)算，計(jì)算極性波形相似系數(shù)，得到CT極性，然后輸出結(jié)果至顯示屏。

圖5 智能CT測(cè)試裝置工作流程

3 實(shí)際應(yīng)用

針對(duì)主流CT極性測(cè)試的流程進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)測(cè)試過(guò)程中存在的問(wèn)題，特別是作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出基于電容放電模型的智能CT測(cè)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(cè)試遇到的防觸電、免登高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)問(wèn)題。該裝置考慮現(xiàn)場(chǎng)工作電源取電困難或其他不確定因素，設(shè)計(jì)內(nèi)部鋰電池供電，攜帶使用便利，極大提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員工作效率。人機(jī)交互界面美觀大氣，顯示簡(jiǎn)潔，觸摸屏操作方便，可快速上手操作測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)需進(jìn)行CT極性檢測(cè)的場(chǎng)合。

本裝置選在某110kV變電站的110kV線路進(jìn)行CT極性實(shí)測(cè)，CT的變比為800:1。通過(guò)伸縮測(cè)試棒將P端測(cè)試線搭接在如圖6所示位置上。測(cè)試裝置上一次側(cè)的紅線（P1）接CT一次側(cè)（P1）極性端，黑線（P2）接CT一次側(cè)（P2）極性端；測(cè)試儀上二次側(cè)的紅線（S1）接CT二次側(cè)（S2）極性端，黑線（S2）接CT二次側(cè)（S1）極性端。確認(rèn)P1、P2、S1、S2接線無(wú)誤，點(diǎn)擊觸摸屏幕“使能”按鍵，此時(shí)將彈出“是否設(shè)置站名、間隔、線路信息”對(duì)話框，點(diǎn)擊“是”將彈出鍵盤(pán)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成保存后即可進(jìn)行測(cè)試，按“否”將直接跳轉(zhuǎn)測(cè)試。

圖6 智能CT測(cè)試點(diǎn)

如圖7所示，測(cè)試結(jié)果快速顯示。屏幕中心對(duì)話框顯示測(cè)試結(jié)果（此時(shí)為“反極性+”）、視圖動(dòng)態(tài)圖表顯示測(cè)試次數(shù)及測(cè)試結(jié)果“+”或“-”。結(jié)果顯示連續(xù)5次測(cè)量均為反極性，與實(shí)際CT極性一致，表明裝置檢測(cè)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

圖7 測(cè)試結(jié)果

本文簡(jiǎn)述了智能CT測(cè)試裝置組成及應(yīng)用，并針對(duì)智能CT測(cè)試裝置設(shè)計(jì)主要做了以下工作：分析了CT一次側(cè)加低壓電容，二次側(cè)檢測(cè)電流的方法來(lái)判斷極性原理，得出CT一次側(cè)加低壓電容，二次側(cè)檢測(cè)電流的方法可行性的結(jié)論；在電容法測(cè)極性的基礎(chǔ)上，提出來(lái)極性波形相似系數(shù)的極性判據(jù)：當(dāng)ρ＜1，一次電流與二次電流波形相同即同極性。當(dāng)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(cè)試裝置主體設(shè)計(jì)方案并針對(duì)性給出了電流采樣電路設(shè)計(jì)、軟件基本設(shè)計(jì)思路，以及裝置使用的工作流程；最后通過(guò)樣機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了裝置的在CT極性測(cè)試的正確性。