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試儀，該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過檢測一次繞組感應的電壓方向來判斷極性，由于施加的直流電壓低，對于大變比的電流互感器，一次感應的電壓信號太過弱小，導致測試誤差。通過在原直流法的極性測試儀基礎上改進設備，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，檢測二次繞組的開口電壓來判斷極性，同時，還可以使用該恒流源進行電流互感器二次實際負荷的測試，該二次回路檢查儀準確度高，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 負載測試

中圖分類號： TM63文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2023）11-0043-03

電流互感器（CT）是電力系統(tǒng)中實現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵設備之一，其準確與否將直接影響保護裝置動作準確性。根據(jù)國標規(guī)程，電流互感器在交接及大修前后應進行極性試驗，以防在接線時將極性弄錯，造成在繼電保護回路上和計量回路中引起保護裝置錯誤動作和不能夠正確地進行測量，所以必須在投運前做極性試驗。目前市面上主要有兩種方法進行電流互感器的極性測試。（1）采用互感器綜合測試儀進行電流互感器變比極性試驗，該方法向電流互感器一次注入電流、檢測二次電流，進而計算出變比、極性結(jié)果，所用設備體積大、重量重，且需要220 V/380 V電源，過程繁瑣、效率低。（2）采用直流法的極性測試儀，該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過檢測一次繞組感應的電壓方向來判斷極性?；谠摲椒ǖ脑O備輕巧易用，但是由于施加的直流電壓低，對于大變比的電流互感器，一次感應的電壓信號太過弱小，導致測試誤差大。王斌武等人[1]研制了電流互感器回路狀態(tài)監(jiān)測裝置。張瑞明[2]研制了一種電流互感器二次回路接地點監(jiān)測裝置，實時在線監(jiān)測發(fā)電廠電流互感器二次回路接地點的接地情況。韋俊年和郭霽月[3]利用電流互感器極性的特點制作手持式電流互感器極性測試儀，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防措施。姜春陽等人[5]開發(fā)出電流互感器二次回路監(jiān)測模塊，并將其成功擴展應用于專變采集終端中。王海元等人[6]介紹了電能計量裝置二次回路誤差分析與應對措施。李清華[7]詳細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試儀的基礎上的改進設備，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，檢測二次繞組的開口電壓來判斷極性。同時還可以使用該恒流源進行電流互感器二次實際負荷的測試。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，人機對話界面友好。全觸摸式導電硅膠鍵盤操作方式，操作手感好，簡便易用。

1 功能特點

（1）該儀器采用鋰電池供電，無須額外電源非常便于現(xiàn)場測試。

（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)場校核電流互感器的二次負荷。

（3）準確度高：采用恒流源向電流互感器一次繞組施加電流，檢測二次繞組開口電壓進行極性判斷，無論電流互感器變比的大小，都能準確地檢測二次繞組極性；本儀器所用的測試源是數(shù)字合成的標準正弦數(shù)字源，失真度小，測試實際二次負荷更精確。

（4）抗振性好：軍品接插件的使用增強了抗振性能。

（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)場無須說明書即可指導試驗。

（6）內(nèi)部具備高容量鋰離子充電電池，現(xiàn)場無需任何電源即可完成測試工作，一次充滿可以連續(xù)進行1 000次以上的測量。

（7）體積小，重量輕，攜帶方便。

2 測試原理

2.1 電流互感器二次極性檢查

試驗時，電流互感器一次繞組（或穿心線兩端）接入設備一次端子、二次繞組接入設備二次端子，此時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 電流互感器二次負載測試

試驗時，電流互感器二次負載與二次繞組斷開，二次負載端接入儀器（采用4端法接線），儀器向二次負載注入1 A或5 A（最大10 A）的交流電流，測量此時二次負載兩端電壓，進而計算實際負載值。

2.3 結(jié)構(gòu)原理說明

目前市面上主要有三方法進行電流互感器的極性測試，具體如下。（1）采用直流法的極性測試儀。該方法向電流互感器二次繞組注入直流電壓，通過檢測一次繞組感應的電壓方向來判斷極性。（2）交流法電壓法。該方法大變比準確度低。（3）交流電流法。向電流互感器一次繞組注入電流，檢測二次電流，通過兩側(cè)電流的相位得出極性結(jié)果，所用設備較多且體積大、重量重，需要220 V/380 V電源，過程繁瑣、效率低?；谠摲椒ǖ脑O備輕巧易用，但是由于施加的直流電壓低，對于大變比的電流互感器，一次繞組感應的電壓信號太過弱小，導致測試誤差大。

本儀器基于直流法的極性測試儀進行創(chuàng)新，提出新型的電流互感器二次回路測量方法。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)的負載測量方法就是通過儀器向二次負載注入恒定的交流電流，測量此時二次負載兩端電壓，進而計算實際負載值。因此通過本方法可直接通過電流源供電得到電流互感器的二次極性和二次負載，并且設備小巧輕便、方便攜帶。

本設備信號采集模塊對輸出電流和電壓信號進行采集，并將采集的信號輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過中央處理器進行處理分析，分析后的數(shù)字信號再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，模擬信號再通過信號調(diào)理模塊進行低通濾波，以消除噪聲和防止混疊現(xiàn)象，對信號進行初步的放大，處理后的信號再經(jīng)過線性功放電路在保證不失真的情況下進行功率放大，放大后的信號再傳遞給輸出端子，從而增強一次感應的電壓信號，降低測試導致的誤差。

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，該信號經(jīng)過濾波、功率放大后輸出到被試品。儀器輸出電流、輸出電壓經(jīng)信號調(diào)理電路后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）進行采樣并送入MCU，最終由MCU計算得到電流互感器二次極性、二次負載值。

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。信號經(jīng)過微處理器進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)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，隨后輸送給跟隨放大器，通過跟隨放大器將電流放大，以提高整個放大電路的帶負載能力。然后再將信號輸送至電容隔直模塊，通過電容隔直模塊過濾掉直流信號中的交流信號，使直流信號能夠順暢地流過電路，而不會受到交流信號的干擾。然后再將過濾后的信號輸送至誤差放大器，通過誤差放大器將輸出采樣電壓和參考電壓進行比較并產(chǎn)生誤差放大信號，用該誤差來校正控制脈沖占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。穩(wěn)定后的信號再經(jīng)過二極管進行單向輸送，并經(jīng)過三極管達到信號放大的目的，最終實現(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量中緩慢增加供給一次回路，當二次回路的感應電壓可精準測量時（如達到1 V），一次回路的輸入電流保持恒定，此時MCU通過輸出電流（一次回路輸入電流）與采集的電壓信號（二次感應電壓）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（二次感應電壓）相位相同，則為減極性；否則為加極性。

2.4 結(jié)構(gòu)外觀

儀器由主機和配件箱兩部分組成，其中主機是儀器的核心，所有的電氣部分都在主機內(nèi)部，其主機采用手持式注塑機箱，堅固耐用，配件箱用來放置測試導線及工具。

儀器頂端部分是接線端子，正面上部是彩色液晶屏，下部是標準13鍵的控制鍵盤；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端法測量負荷時的電壓采樣端子；S1、S2為極性測試時的二次繞組端電壓采樣端子。

2.5 功能說明

鍵盤共有13個鍵，分別為輔助功能鍵（F1、F2、F3、F4）、保存鍵、光標移動鍵（↑、↓、←、→）、ESC鍵、確認鍵、菜單鍵、電源鍵。

2.5.1 各鍵功能

（1）光標移動鍵（↑、↓、←、→）。在主菜單中用來移動光標，使其指向某個功能菜單，按確認鍵即可進入相應的功能；在參數(shù)設置功能屏下左右鍵用來切換當前選項，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，按下此鍵即進入被選中的功能；另外在輸入某些參數(shù)時，開始輸入和結(jié)束輸入。

（3）ESC鍵。返回鍵，按下此鍵均直接返回上級菜單。

（4）確認鍵。用來確認使所設置的參數(shù)生效或者進入所選擇的屏。

（5）保存鍵。用來將測試結(jié)果存儲為記錄的形式。

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

（7）電源鍵。長按實現(xiàn)開關(guān)機功能。

2.5.2 功能界面

當開機后顯示主菜單。主菜單共有五個功能選項，包括極性測試、負荷測、歷史記錄、系統(tǒng)設置、廠家設置。通過←、→鍵進行選擇，按確定鍵進入相應功能界面；屏幕頂端一行顯示狀態(tài)參量，包括時間、內(nèi)部電池的電壓幅值和剩余電量，以便操作人員隨時觀察儀器電池狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)電池虧電時可及時充電；屏幕最下方一行為提示欄，為用戶進行簡單的操作提示，方便用戶正確操作。

極性測試界面：在此頁面中，F(xiàn)1為開始測試；F2為保存測試結(jié)果；F3為進入負荷測試功能模塊；F4為退出當前界面，返回主界面。

2.6 技術(shù)指標

2.7 電池維護

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儀器的損害。儀器須及時充電，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（長期不用最好在一個月內(nèi)充一次電），以免影響使用和電池壽命，每次充電時間應在6 h以上，因內(nèi)部有充電保護功能，可以對儀器連續(xù)充電。每次將電池從儀器中取出后儀器內(nèi)部的電池保護板自動進入保護狀態(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狀態(tài)，才可正常工作。

2.8 使用注意事項

（1）在測量前要確保被測設備處于停電狀態(tài)，各測試端子不能接地。（2）測量接線一定要嚴格按說明書操作，否則后果自負。（3）測試之前一定要認真檢查設置的參數(shù)是否正確。（4）充電時最好使用有地線的電源插座。（5）不能在過量限的情況下工作。（6）嚴禁高低壓接反。

3 結(jié)語

本文基于直流法的極性測試儀進行創(chuàng)新，提出新型的電流互感器二次回路測量方法。研制的新型的電流互感器二次回路測量檢查儀器，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，通過電流源供電得到電流互感器的二次極性和二次負載，并將電流互感器二次極性查找與負載測試功能合二為一，裝備攜帶輕便。

參考文獻

[1]王斌武，劉儉，張軍.計量電流互感器二次回路在線監(jiān)測技術(shù)研究[J].電子測量技術(shù)，2022，45（17）：29-35.

[2]張瑞明.一種電流互感器二次回路多點接地在線監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方案的研究[J].山西電力，2021，5（10）：34-37.

[3]韋俊年，郭霽月.關(guān)于手持式電流互感器測試儀研究[J].科技與創(chuàng)新，2014（20）：46-47.

[4]張傳貴.電流互感器二次回路接地故障分析與預防措施[J].安徽電力，2020（2）：46-49.

[5]姜春陽，劉俊杰，周峰，等.可用于CT二次回路狀態(tài)識別的方法和模塊研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（4）：143-146.

[6]王海元，李愷，張軍號，等.電能計量裝置二次回路誤差分析與應對[J].中國測試，2021，47（9）：133-137.

[7]李清華.談電流互感器的極性及其接線[J].科技咨詢，2017，15（16）：46-47.