基于異頻小信號(hào)測(cè)試原理的互感器校驗(yàn)儀的研制

文/陳龍瑾 孫延松 戚斌 吳達(dá)雷 容斌

基于異頻小信號(hào)測(cè)試原理的互感器校驗(yàn)儀的研制

文/陳龍瑾 孫延松 戚斌 吳達(dá)雷 容斌

互感器包括電壓互感器和電流互感器，是電能計(jì)量的主要器具，是計(jì)量法規(guī)定的強(qiáng)檢計(jì)量設(shè)備之一。根據(jù)國(guó)家規(guī)程要求必須要對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的互感器進(jìn)行新裝前和運(yùn)行中的周期性檢測(cè)。為解決互感器檢測(cè)行業(yè)現(xiàn)存在的諸多問題，本文提出研究一種基于異頻小信號(hào)測(cè)試原理的便攜式互感器校驗(yàn)儀裝置。該裝置可兼容電壓、電流（含GIS、套管、發(fā)電機(jī)出口的互感器）互感器誤差（比差、角差）、變比、阻抗等參數(shù)測(cè)試功能。該裝置的成功研制對(duì)互感器檢測(cè)具有重要的實(shí)際意義和使用價(jià)值。

電壓互感器 電流互感器 便攜式校驗(yàn)儀 異頻小信號(hào)

電壓互感器和電流互感器又稱儀用互感器，是電力系統(tǒng)中經(jīng)常使用的測(cè)量設(shè)備，是電能計(jì)量中不可或缺的主要器具。根據(jù)國(guó)家規(guī)程要求必須要對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的互感器進(jìn)行新裝前和運(yùn)行中的周期性檢測(cè)。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)于安裝在現(xiàn)場(chǎng)的互感器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)常用方法有比較法和低壓外推法。

比較法采用的是測(cè)差原理，即將被檢電壓（電流）互感器與標(biāo)準(zhǔn)電壓（電流）互感器接成并聯(lián)（串聯(lián)）回路，在一次側(cè)施加相同的電壓（電流）,以一定的二次電壓（電流）作為標(biāo)準(zhǔn)電壓（電流），取得二次差壓（差流）信號(hào)，對(duì)采集回來(lái)差壓（差流）信號(hào)利用相關(guān)公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算即可得到互感器的比差和角差。

按互感器檢測(cè)規(guī)程要求，采用比較法檢測(cè)互感器時(shí)，需要使用升壓/升流裝置、標(biāo)準(zhǔn)PT/CT、負(fù)荷箱、校驗(yàn)儀、大電流導(dǎo)線等設(shè)備。測(cè)試時(shí)，對(duì)互感器一次側(cè)升高壓/大電流。因此，該方法具有設(shè)備多、體積大、接線操作復(fù)雜、需電源容量大、安全性差等弊端，尤其對(duì)于一次回路存在寄生電容、引線長(zhǎng)的GIS（封閉式組合電器）內(nèi)的互感器，因無(wú)功分量消耗大，升壓/升流困難而難以開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)空間狹小的因素，開關(guān)柜內(nèi)互感器也很難在現(xiàn)場(chǎng)開展檢測(cè)工作。

為實(shí)現(xiàn)研制的校驗(yàn)儀區(qū)別于上述比較法存在的弊端，因此，本文提出研制一種采用低壓外推法原理的便攜式互感器校驗(yàn)儀，通過采用施加異頻測(cè)試信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)互感器進(jìn)行檢測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下也能準(zhǔn)確完成對(duì)互感器性能參數(shù)的檢測(cè)。解決了現(xiàn)有低壓外推法類設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度差、穩(wěn)定性差的難題，提高測(cè)試人員對(duì)于被檢互感器檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性，提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的效率。

1 基本原理

1.1 異頻小信號(hào)測(cè)試原理

小信號(hào)是相對(duì)于比較法在檢定互感器時(shí)對(duì)互感器一次側(cè)升高壓/大電流而言，在采用小信號(hào)測(cè)試時(shí)主要采用小電壓和小電流。異頻信號(hào)是指測(cè)試時(shí)裝置輸出的測(cè)試信號(hào)頻率與工頻信號(hào)（50Hz）不同。這樣可以提高校驗(yàn)儀在復(fù)雜的電磁環(huán)境下的抗干擾能力。我們?cè)诠ゎl信號(hào)±10%波動(dòng)的范圍內(nèi)進(jìn)行選取。裝置在采用小信號(hào)的基礎(chǔ)上，輸出40～60Hz之間的異頻信號(hào)對(duì)互感器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，再利用相關(guān)公式換算成工頻信號(hào)（50Hz）下的測(cè)試結(jié)果。

1.2 測(cè)試?yán)碚?/h3>

1.2.1 PT測(cè)試?yán)碚?/h4>

根據(jù)電壓互感器的等效電路圖和經(jīng)典誤差理論，可知，由于勵(lì)磁電流、繞組電阻及電抗的存在，導(dǎo)致互感器在測(cè)量中由于實(shí)際變比與額定變比的不相等，一、二次電壓相位的偏移，產(chǎn)生電壓比值誤差和相位誤差。

圖1中：V1：一次電壓；K：電壓互感器標(biāo)稱變比；

Z1′:一次繞組內(nèi)阻Z1折算到二次的值；Z2：二次繞組的內(nèi)阻抗；

Y1′：一次勵(lì)磁導(dǎo)納Y1折算到二次的值；Yb：二次負(fù)載的導(dǎo)納；

V2：二次側(cè)的實(shí)際電壓；V1/K：理想狀態(tài)下的二次標(biāo)準(zhǔn)電壓。

如圖1，根據(jù)電壓互感器誤差定義，可得：

由公式（1）可以看出，電壓互感器存在的測(cè)量誤差，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是空載誤差（-Z1′Y1′）,它只與勵(lì)磁導(dǎo)納Y1和一次繞組空載漏阻抗Z1有關(guān)，而與二次繞組的負(fù)荷無(wú)關(guān)，只要一次測(cè)電壓大小不變，勵(lì)磁導(dǎo)納Y1就不變，空載誤差就不變；二是因?yàn)樨?fù)載過大，二次側(cè)電流過大引起漏阻抗壓降變大，即為負(fù)載誤差-(Z1′+Z2)Yb，它與勵(lì)磁導(dǎo)納無(wú)關(guān)，它與一次繞組空載漏阻抗Z1和二次繞組的空載漏阻抗Z2及二次負(fù)荷Yb大小有關(guān)。

因此，采用異頻小信號(hào)測(cè)試法只需測(cè)量出電壓互感器的變比、一次阻抗、二次阻抗、勵(lì)磁導(dǎo)納等參數(shù),結(jié)合電壓互感器經(jīng)典誤差公式，就可計(jì)算出電壓互感器在不同電壓點(diǎn)、不同負(fù)荷下的誤差。

圖1：電壓互感器等效電路圖

圖2：理想等效電路

圖3：電流互感器原理圖

圖4：電流互感器等效電路圖

根據(jù)異頻小信號(hào)測(cè)試法的工作原理，一次測(cè)試回路阻抗影響實(shí)際變比的測(cè)試，而且對(duì)二次阻抗及勵(lì)磁導(dǎo)納測(cè)試結(jié)果的影響可以忽略。在忽略對(duì)二次阻抗及勵(lì)磁導(dǎo)納測(cè)試部分的影響，GIS內(nèi)置PT的等效電路圖如圖2所示，相當(dāng)于在PT回路上增加阻抗ZP。

根據(jù)電壓互感器誤差定義：

由式（2）做定性分析，當(dāng)回路阻抗ZP越大，誤差值ε越小。

綜上所述，最后只要測(cè)得出電壓互感器的變比、二次阻抗、勵(lì)磁導(dǎo)納等參數(shù)，再通過經(jīng)典誤差公式即可得出PT的比差和角差。本研究為實(shí)現(xiàn)一臺(tái)校驗(yàn)儀可兼容對(duì)GIS內(nèi)互感器的誤差測(cè)試，針對(duì)GIS一次結(jié)構(gòu)的特殊性，由二次側(cè)模擬加壓，多頻率仿真的方法，優(yōu)化消除由于一次寄生電容和阻抗對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果造成的干擾。

1.2.2 CT測(cè)試?yán)碚?/h4>

如圖3，假設(shè)電流互感器的的一次電流為I1，額定變比為SR，則二次標(biāo)準(zhǔn)電流為I1/SR。

令電流互感器的實(shí)際二次電流為I2x，實(shí)際變比為ka。則，由電流互感器的誤差定義可得：

表1：PT實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比

表2：CT實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比

表3：110kV變電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

表4：CT現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4電流互感器等效電路圖，Z2為電流互感器的二次內(nèi)阻抗；Z為電流互感器外部負(fù)載阻抗；Z0為電流互感器勵(lì)磁阻抗；即勵(lì)磁導(dǎo)納Y0的倒數(shù)；n1為電流互感器一次匝數(shù)；n2為電流互感器二次匝數(shù)。

則有ka=V1/V2，由式（3）我們可以推算出：

令：Z2=r2+jx2，Z=rL+jxL，Y0=G-jB則有：

比差：

綜上所述，我們只需準(zhǔn)確測(cè)量出被測(cè)CT的實(shí)際匝數(shù)比（n2/n1）、二次繞組阻抗（r2+jx2）和勵(lì)磁導(dǎo)納Y0，通過相關(guān)的公式推導(dǎo)，就能計(jì)算出電流互感器的誤差（比差、角差）。

2 設(shè)備研制

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上PT/CT的測(cè)試?yán)碚摚覀兿韧ㄟ^設(shè)備對(duì)電流互感器/電壓互感器的變比、阻抗及各電流/電壓點(diǎn)下勵(lì)磁和導(dǎo)納等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再通過信號(hào)的采集，上傳至系統(tǒng)處理器，利用軟件進(jìn)行計(jì)算、優(yōu)化，最后將得出PT/CT不同電壓/電流點(diǎn)下的誤差結(jié)果。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

本研制校驗(yàn)儀兼容性強(qiáng)，測(cè)量范圍寬，精度高。使用單臺(tái)設(shè)備即可完成對(duì)常規(guī)PT/CT各電壓/電流點(diǎn)的誤差測(cè)試，同時(shí)也可對(duì)組合電氣（GIS內(nèi)）的電磁式電壓/電流互感器的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并得出誤差結(jié)果。其主要參數(shù)如下：

（1）PT測(cè)量范圍：一次電壓1～1000kV；二次電壓：

CT測(cè)量范圍：0.5/1(2.5/5)---2500/1(12500/5)、2500/1(12500/5)--15000/1(75000/5)

（2）測(cè)試精度：優(yōu)于0.05級(jí)，最高可達(dá)0.02%

（3）二次負(fù)荷測(cè)量范圍：

CT:0～250VA；

PT:0～600VA

（4）工作電源：AC100～ 250V 50/60Hz；

（5）整機(jī)重量：9kg。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 DSP底層及運(yùn)算單元

DSP底層及運(yùn)算單元主要由第一信號(hào)放大器、第一信號(hào)采集器、第一信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)模塊、和第一處理器組成。該單元可與人機(jī)交互單元進(jìn)行雙向串口通訊，可接收來(lái)自鍵盤輸入的被測(cè)互感器的參數(shù)和測(cè)試命令。先由第一信號(hào)放大器輸出預(yù)設(shè)的測(cè)試信號(hào)對(duì)互感器進(jìn)行模擬加壓/升流，再由第一信號(hào)采集器負(fù)責(zé)自動(dòng)采集濾波后的反饋信號(hào)，最后由第一處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，結(jié)果向上輸出并在顯示屏上顯示結(jié)果。系統(tǒng)內(nèi)置有保護(hù)模塊，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，保護(hù)模塊自動(dòng)啟動(dòng)，切斷相關(guān)電源使系統(tǒng)和測(cè)試人員不受傷害。

DSP采用的是TI公司生產(chǎn)的信號(hào)TMS320F2810芯片。同時(shí)采用AD公司的AD7600芯片進(jìn)行采樣。兩款芯片性能優(yōu)異，可保證系統(tǒng)測(cè)試最小分辨率為0.05%，實(shí)際變比優(yōu)于0.03%。

在測(cè)試時(shí)，DSP快速對(duì)采集反饋的信號(hào)進(jìn)行處理，可增強(qiáng)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算能力和快速對(duì)被測(cè)對(duì)象建模，保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率和各部分電路控制正常。

2.2.2 ARM人機(jī)交互單元

人機(jī)交互單元采用基于Linux的嵌入式系統(tǒng)，核心采用AT91SAM7X512處理芯片，該芯片性能穩(wěn)定、安全性好，是32位RISC架構(gòu)，片內(nèi)集成了ARM公司的ARM7DTMI的Thumb處理器，高速Flash和SRAM，高密度16位指令，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過與鍵盤模塊通信，接收鍵入的測(cè)試參數(shù)、發(fā)出測(cè)試命令，并將最終運(yùn)算的的測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到顯示屏，供用戶查看。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)USB通訊接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、打印等功能。

2.2.3 供電單元設(shè)計(jì)

供電單元為本系統(tǒng)其他單元模塊提供工作電源，設(shè)計(jì)可輸入AC100-250V，50/60HZ電源。

為保證設(shè)備正常可靠工作，在電源輸入時(shí)先進(jìn)行濾波處理，并設(shè)計(jì)有過壓/過流保護(hù)，經(jīng)濾波處理后的電源信號(hào)輸入到UCOSEL的SMPS開關(guān)電源電路，最終轉(zhuǎn)換輸出DC12V供給其他模塊。在供給其他單元直流電源時(shí)，也設(shè)計(jì)有過壓/過流保護(hù)電路，確保測(cè)試人員及設(shè)備的安全。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試主程序工作流程如圖6示。

本測(cè)試系統(tǒng)具備設(shè)置調(diào)頻輸出、互感器參數(shù)自定義輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分析部分，為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此采用了因此采用了基于 TI芯片組的 DSP開發(fā)平臺(tái)軟件，有效提高了數(shù)據(jù)的執(zhí)行和傳輸效率。

系統(tǒng)軟件利用了快速傅里葉變換（FFT）算法，因傅里葉變換是一種將信號(hào)從時(shí)域到頻域換轉(zhuǎn)換，這個(gè)轉(zhuǎn)換有助于研究信號(hào)的功率譜，使計(jì)算更有效率，是信號(hào)處理與數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域里最重要的算法之一。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)一只0.5級(jí)的電壓互感器和一只0.02S級(jí)的電流互感器進(jìn)行誤差測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與比較法的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示：

（1）PT廠家：上海嘉定互感器廠；

（2）準(zhǔn)確度0.5級(jí)，負(fù)荷：30VA；

（3）型號(hào)：JDZJ-10。

（1）CT廠家：寧波三維；

圖5：系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（2）準(zhǔn)確度0.2S級(jí)，負(fù)荷：20VA；

（3）型號(hào)：HL06-2S。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試

為驗(yàn)證校驗(yàn)儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試GIS PT/CT的實(shí)際測(cè)試效果，我們選取了貴港供電局110kV東湖變電站電壓互感器和貴港供電局110kV金垌變電站電流互感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)試結(jié)果與GIS PT/CT出廠值對(duì)比，如下：

（1）PT廠家：江蘇思源赫茲互感器有限公司；

（3）準(zhǔn)確度：0.2級(jí)，0.5級(jí)，0.5級(jí)，負(fù)荷：20VA，30VA，30VA；

1.CT廠家：北京四方繼保工程技術(shù)工程有限公司；

2.準(zhǔn)確度0.2S級(jí)，負(fù)荷：40VA；

3.型號(hào)：LGBJ-35。

4 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試情況來(lái)看，可得出以下結(jié)論：

根據(jù)電壓互感器檢定規(guī)程(JJG314-1994)和電流互感器檢定規(guī)程(JJG313-1994)有關(guān)PT/CT精度誤差的要求， 本研制的校驗(yàn)儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室PT/CT和現(xiàn)場(chǎng)GIS式PT/CT的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)不存在超差現(xiàn)象，符合其0.2級(jí)和0.5級(jí)標(biāo)稱精度要求。

5 結(jié)論

本研究所提出的基于異頻小信號(hào)測(cè)試原理的互感器校驗(yàn)儀，具有兼容性強(qiáng)，測(cè)試精度高，安全性高，輕巧便攜等優(yōu)勢(shì)。通過他可以對(duì)常規(guī)電磁式電壓/電流互感器和GIS內(nèi)電磁互感器進(jìn)行誤差、阻抗等多個(gè)參數(shù)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足相關(guān)檢定規(guī)程的要求。極為方便現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室使用，有效提高對(duì)互感器的檢測(cè)技術(shù)水平和工作效率。

圖6：系統(tǒng)測(cè)試主程序工作流程圖

[1]趙修明,趙屹濤.低壓外推法測(cè)定電流互感器誤差[J].電測(cè)與儀表,2004(12).

[2]趙玉富,林玉涵,楊乃貴,陳耀高,武坤.500kV電流互感器誤差小信號(hào)測(cè)試設(shè)備的研制[J].電測(cè)與儀表,2014(06).

[3]關(guān)志東,吳智海.一種新型便攜式電壓互感器校驗(yàn)儀的研制[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2015.

[4]陸干文.鋼鐵企業(yè)配電網(wǎng)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償研究[J].電機(jī)與電器,2010.

作者單位 海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電能計(jì)量中心 海南省?？谑?570100

陳龍瑾（1988-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師，從事電能計(jì)量技術(shù)研究工作。

孫延松（1972-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計(jì)量技術(shù)研究工作。

戚斌（1970-），男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計(jì)量技術(shù)研究工作。

吳達(dá)雷(1986-)，男，大學(xué)本科學(xué)歷。工程師，從事電能計(jì)量技術(shù)研究工作。

容斌(1991-)，男，大學(xué)本科學(xué)歷。助理工程師，從事電能計(jì)量技術(shù)研究工作。