向磊，袁煥炯

（1.超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000；2.廣州市仟順電子設(shè)備有限公司，廣東廣州，510000）

1 電流互感器極性原理

互感器是電力系統(tǒng)一二次之間的橋梁，它利用電磁感應(yīng)原理，將一次高電壓、電流轉(zhuǎn)換成二次低電壓、電流，并起到隔離效果。與電壓互感器不同的是，電流互感器的一二次端口具有極性參數(shù)的區(qū)別。電流互感器極性的正確接入與否是保證電流互感器正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一[1]。

電流互感器的極性是指一次電流從同名端流入，二次電流從同名端流出。如圖1 所示，電流互感器—次繞組的端子為P1 和P2，二次繞組的接線端為S1 和S2，其中P1 和S1、P2 和S2 稱為同名端。一次電流從P1 端流入電流互感器時在磁心左側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，二次測電流從S1 流出，經(jīng)過外部設(shè)備流入S2 端，一次線圈和二次線圈產(chǎn)生相反的磁場，因此稱為減極性接法。除了有特殊要求，電網(wǎng)使用的電流互感器都采用減極性接法。

2 電流互感器極性接反的危害

電流互感器的極性接反，最直接的結(jié)果是二次電流的相位與一次電流相反，由此一來將引發(fā)以下幾種不同后果：

■2.1 保護(hù)誤動和拒動

如果用在繼電保護(hù)電路中，尤其是差動保護(hù)電路中的電流互感器極性接反，導(dǎo)致引進(jìn)繼電保護(hù)裝置的電流誤差，極性反接的一相電流相位相反，差動保護(hù)互感器二次側(cè)電流由原本的0 升高到2 倍感應(yīng)電流，直接導(dǎo)致差動保護(hù)跳閘。電流互感器的極性反接，可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動和拒動，繼而可能影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制和事故處理，嚴(yán)重時會危及設(shè)備及工作人員人身安全，造成重大事故和損失。

■2.2 引起計量和測量錯誤

如果用在電力計量的電流互感器極性接反，將會使各種儀器、儀表的指示錯誤和電能計量錯誤。如采用不完全星形聯(lián)結(jié)的電流互感器，若任意一相極性接反，都會導(dǎo)致計量中未接電流互感器的一相較其它相電流增高倍[2]，而一次實(shí)際電流并非如此。

采用不完全星形聯(lián)接的電流互感器中，若兩相均接反，在正常情況下二次側(cè)三相電流仍然能保持平衡，但接有電流互感器相電流相位與實(shí)際相位相差180°，從而將使電能計量表反轉(zhuǎn)。因此，對電流互感器極性接入正確與否是一項非常重要的工作。在電流互感器新安裝的、回路大修前后以及當(dāng)運(yùn)行中出線保護(hù)誤動、儀表指示異常、電度表反轉(zhuǎn)時要進(jìn)行極性檢查[3]。

■2.3 事故案例

案例一：某35kV 變電站的主變壓器差動保護(hù)跳閘亭故，通過現(xiàn)場保護(hù)特性試驗(yàn)、絕緣檢查、二次回路電流測量，經(jīng)過分析事故原因是由于保護(hù)裝置內(nèi)部差動保護(hù)用電流互感器高壓側(cè)極性接反，當(dāng)不平衡負(fù)荷過大時，不平衡電流變大，差動電流超出整定值。事故造成了2 號主變差動保護(hù)跳閘[4]。

案例二：2009 年9 月27 日，某35kV 變電站一10kV出線近一個月來用電計量大量減少，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此出線于該年8 月25 日更換電流互感器時，二次側(cè)C 相極性接反，將電流互感器極性正確接回后計量正常運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

3 電流互感器極性的驗(yàn)證方法

目前位置,市場上鮮有電流互感器CT 機(jī)型的驗(yàn)證專用設(shè)備，現(xiàn)有常用的電流互感器極性驗(yàn)證方法為直流法，其原理如圖2 所示，在電流互感器一次側(cè)接入一個直流電源V1 和開關(guān)K，其中直流電源的正極接入電流互感器一次側(cè)的P1 端，負(fù)極接入P2 端，電流互感器二次側(cè)接入一個電流指示表，電流指示表的正端接入S1 端，負(fù)端接入S2 端。當(dāng)開關(guān)K 閉合，直流電源接入電流互感器一次側(cè)的瞬間，由于線圈呈感性負(fù)載，一次側(cè)線圈產(chǎn)生一個緩慢增加直到平穩(wěn)的電流I1，經(jīng)過磁心和線圈后，在二次側(cè)產(chǎn)生一個緩慢升高至平穩(wěn)的電流I2，當(dāng)電流互感器為減極性時，I2 的方向由S2 極流出，S2 極流入，反之則為加極性[6]。

圖2 電流互感器極性驗(yàn)證方法原理

驗(yàn)證步驟如下：閉合開關(guān)K 并保持一段時間；如果電流指示表指針正偏后歸復(fù)，則證明電流互感器為減極性，反之則為加極性。重復(fù)上次書步驟，多次驗(yàn)證得出結(jié)論。

直流法是測量電流互感器極性常用的方法，可以不對電流互感器回路進(jìn)行解線即可驗(yàn)證。但直流法有以下不足：（1）需要兩人以上配合驗(yàn)證，直流法的一次回路接入電源位置和二次回路驗(yàn)證驗(yàn)證位置通常距離比較遠(yuǎn)，需要一人配合開合開關(guān)，一人看電流指示表偏轉(zhuǎn)情況；（2）驗(yàn)證過程中，斷開開關(guān)時，由于楞次定律會導(dǎo)致電流指示表反偏，容易引起誤解；（3）操作步驟比較繁瑣，對多個電流互感器（通常一組有三個電流互感器）進(jìn)行驗(yàn)證時，需要進(jìn)行多次接線和多次驗(yàn)證。

4 電流互感器極性驗(yàn)證裝置的設(shè)計

根據(jù)直流法的原理以及其缺陷設(shè)計一種電流互感器極性驗(yàn)證裝置，該裝置具備無線控制技術(shù)、自動對一組三個電流互感器投入電源，在二次側(cè)自動進(jìn)行極性驗(yàn)證給出結(jié)論的裝置。裝置主要包含主機(jī)和探測器兩大部分。

■4.1 主機(jī)設(shè)計

圖3為主機(jī)框架圖，主機(jī)包括無線模塊、MCU、直流電源、以及三個可編程接觸器K1、K2、K3。其中，無線模塊采用ATK-LORA-01 無線竄口模塊，最遠(yuǎn)收發(fā)距離達(dá)到3km，滿足長距離的電流互感器極性驗(yàn)證工作；主機(jī)CPU 采用意法半導(dǎo)體的STM32F103 芯片，具有高運(yùn)算速率，最高可達(dá)72MHz 工作頻率，低功耗，具有優(yōu)良的工業(yè)控制作用和引用。

圖3 主機(jī)框架圖

主機(jī)MCU 通過無線模塊獲取探測器的命令，根據(jù)命令控制直流電源的投入相別。如圖3，將設(shè)備的D1、D2、D3接入不同相別電流互感器P1 端，如D1 接入A 相電流互感器的P2 端，而COM 則接入中性點(diǎn)。當(dāng)無線模塊收到一個測試A 相電流互感器極性的命令時，MCU 識別該命令，并通過控制接觸器K1 閉合，直流電源因此投入A 相電流互感器一次側(cè)。再由探測器探測二次感應(yīng)電流來判斷極性參數(shù)。

■4.2 探測器設(shè)計

探測器設(shè)計礦機(jī)如圖4 所示，包括顯示器、按鍵、電流傳感器、探測器CPU 和無線發(fā)射器。其中，無線發(fā)射器采用ATK-LORA-01 無線竄口模塊；探測器CPU 采用意法半導(dǎo)體的STM32F103 芯片；顯示屏采用大彩DC32480M035 電容觸摸屏，采用400M SOC 處理器，屏幕運(yùn)行速度更快，上電即可運(yùn)行，支持圖片、固件的遠(yuǎn)程控制、增量升級、運(yùn)行中升級等多種模式，能夠滿足電流互感器機(jī)型驗(yàn)證功能需求。

圖4 探測器框架圖

探測器CPU 通過按鍵信號，獲取選相、調(diào)節(jié)電流、驗(yàn)證等命令，可調(diào)節(jié)測試電流互感器的相別、測試電流等級以及開始測試命令。同時，CPU 通過控制無線模塊，給主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的測試命令，由主機(jī)進(jìn)行電流互感器一次側(cè)電流投入。探測器通過電流傳感器獲取二次側(cè)感應(yīng)電流的值和波形，通過值和波形來判斷該電流互感器的極性參數(shù)。此外，CPU 控制顯示器顯示測試的相別、測試電流等級、測試的結(jié)果以及二次感應(yīng)電流波形等信息。

電流傳感器采用霍爾傳感器原理如圖5 所示，被測電流穿過磁心，在磁心產(chǎn)生感應(yīng)磁場，而霍爾元件是對磁敏感元件，對感應(yīng)磁場產(chǎn)生霍爾電勢Uh。Uh 經(jīng)過運(yùn)算放器后接入次級線圈，然后通過MCU 調(diào)節(jié)次級線圈的補(bǔ)償電流Ib，使得Ib 產(chǎn)生次級磁場，該磁場與初級磁場抵消，直到霍爾電勢達(dá)到為0 的動態(tài)平衡，則Ib 對被測電流Ia 的大小及變化具有非常良好的線性關(guān)系。MCU 通過Ib 計算處被測電流Ia 大小及變化情況，從而獲得被測電流的大小和方向。

圖5 霍爾電流互感器原理圖

■4.3 功能實(shí)現(xiàn)

如圖6 所示，將主機(jī)的COM 端接所有被測電流互感器的P2 端；主機(jī)的D1、D2、D3 端分別接CT1、CT2、CT3的P1 端。

圖6 功能實(shí)現(xiàn)原理圖

主機(jī)部分實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)需要測試CT1 極性時，通過按鍵對探測器CPU 發(fā)送CT1 極性測試命令。

(2)探測器CPU 接收到CT1 極性測試命令后，控制無線發(fā)射器發(fā)射CT1 極性測試命令的無線信號，無線信號以空氣為傳播介質(zhì)，發(fā)送到主機(jī)。

(3)主機(jī)的無線接收器接收到CT1 極性測試命令的無線信號后，將該信號進(jìn)行編譯，再送給主機(jī)CPU。

(4)主機(jī)CPU 識別了無線接收器傳來的CT1 極性測試命令后，控制接觸器K1 以50Hz 的頻率吸合，使CT1 的一次回路產(chǎn)生脈沖的直流電流Id1；。

(5)脈沖直流電流Id1 經(jīng)過CT1 變換到二次回路直流電流Id2。

手持器功能實(shí)現(xiàn)步驟：

(1)使用電流探測器探測到電流Id2，并將電流Id2 經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換變成電流信號發(fā)送給探測器CPU。

(2)探測器CPU 將收到的電流信號處理分析，得出電流Id2 方向、波形數(shù)據(jù)和判斷電流互感器的極性結(jié)果數(shù)據(jù)。

(3)若Id2 的電流方向喂正、頻率為50Hz，則判斷電流互感器為減極性，若電流Id2 方向?yàn)樨?fù)，頻率為50Hz，則判斷電流互感器為加極性。

(4)探測器CPU 判斷結(jié)果后，將電流Id2 的大小、波形數(shù)據(jù)以及判斷結(jié)果發(fā)送給顯示器進(jìn)行顯示。

(5)顯示器通過電流方向顯示、波形顯示和結(jié)果顯示，告知測試人員測試的結(jié)果，測試完成。

本文設(shè)計的電流互感器極性驗(yàn)證裝置具備遠(yuǎn)距離控制功能，只需一個人便能操作，能夠一次性接線測試3 個以下的CT 極性，提高了極性驗(yàn)證工作的效率，通過電流及波形來判斷，提高了極性驗(yàn)證的準(zhǔn)確率。本設(shè)計能夠有效驗(yàn)證CT 極性參數(shù)，并且操作簡單，原理清晰，對操作人員要求低，解決了電流互感器極性驗(yàn)證缺少專用設(shè)備、傳統(tǒng)方法效率低、容易誤判等缺點(diǎn)。

5 結(jié)語

電流互感器是電站的重要設(shè)備之一，給是電網(wǎng)繼電保護(hù)、計量等設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。在電流互感器新安裝、維修、接線后，投入運(yùn)行之前，必須對電流互感器極性進(jìn)行校驗(yàn)，確保其極性正確后才能投入使用。本文簡要介紹了電流互感器極性的原理、電流互感器極性接反的危害以及電流互感器極性的驗(yàn)證方法。結(jié)合傳統(tǒng)的電流互感器極性驗(yàn)證方法，設(shè)計了一種能夠遠(yuǎn)程配合工作的電流互感器極性驗(yàn)證裝置，該裝置較傳統(tǒng)的直流法來說，簡化了操作步驟，減少了人員需求，增加了驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，在電流互感器極性驗(yàn)證上具有廣泛的應(yīng)用范圍。