基于差動原理的多功能數字式極性測試儀的關鍵技術研究

蒙 飛，孫 原

（國網寧夏電力調度控制中心，寧夏 銀川 750001）

0 引 言

繼電保護裝置對接入電壓和電流的極性有嚴格要求，如差動保護、線路縱聯差動保護以及距離保護等[1]。如果互感器的極性接反，則可能導致差動保護的拒動或者誤動，引起保護線路越級跳閘。可見，互感器極性的錯誤將會影響到故障的正確切除，從而造成嚴重的電力事故，影響電力系統的安全穩定運行[2]。新建變電站或者技改過的互感器必須進行極性和變比測試，以確定互感器的極性是否滿足相關要求。目前，電壓互感器極性和電流互感器的測試方法主要是利用干電池組、指針式極性表以及導線等，根據電阻與電感構成的階躍方程原理進行極性測試。這種方法測試結果準確，因此被電力系統廣泛采用。但是，這種測試方法比較復雜，需要多人配合才能完成，導致需要更多的時間測試極性，影響工程調試的進度。為解決上述問題，本文利用差動電壓電流原理設計了一款便攜式極性測試儀器，以解決互感器極性校驗的問題[3]。

1 基于差動電流（電壓）法測量互感器極性的原理

1.1 差動電流法測量電流互感器極性的原理

根據繼電保護原理可知，電流互感器工作原理類似變壓器的工作原理。因此，如果接線方式為減極性，則二次側的電流和一次側的電流相差180°；反之電流相差為0°。測量原理如圖1所示。

圖1中，鉗形夾1的極性端和一次側的極性端一致，鉗形夾2的極性端和二次側的極性端相反。根據原理圖可以得到：

圖1 電流互感器極性測量原理圖

式（1）為反極性接線方式，式（2）為正極性接線方式。其中：nCT為電流互感器的變比i˙（1）為一次側電流的向量表達式；i˙（2）為二次側電流的向量表達式。

在測試電流互感器極性的同時，同樣可以測得電流互感器的變比誤差δ%：

實驗時，需要在極性表的變比設置撥碼里設置電流互感器的真實變比。如果誤差率滿足要求，說明電流互感器的極性同樣滿足要求。

1.2 差動電壓法測量電壓互感器極性的原理

電壓互感器極性測試的原理和電流互感器極性測試的原理一樣，只是將極性端的鉗形夾換成表筆，測試原理如圖2所示。

圖2 電壓互感器極性測量原理圖

根據原理圖可以得到：

式（4）為反極性接線方式，式（5）為正極性接線方式。其中：nTV為電壓互感器的變比；u˙（1）為一次側電壓的向量表達式；為二次側電壓的向量表達式。

電壓互感器變比誤差δ%為：

只要誤差滿足要求，則說明電壓互感器的變比也同樣滿足要求。

2 多功能數字式極性表的設計與實現

2.1 電流互感器極性測量的設計與實現

2.1.1 軟件設計

如圖3所示，電流互感器極性測量的軟件部分采用流線型設計，先采集模擬量，將采集到的模擬量轉化為數字量，并通過邏輯運算處理數字量，將處理后的結果輸出到相應的CPU端口。邏輯計算的原理采用電流差動原理。

圖3 電流互感器極性測試軟件流程圖

2.1.2 硬件設計

硬件設計主要是對數字極性表的硬件回路進行設計。如圖4所示，硬件部分主要包括2組鉗形夾子、1個AD7874模數轉換芯片、1個AT89C52中央處理器、1組紅色和綠色LED顯示燈以及1組設置變比用的撥碼開關。它的主要功能是處理采集的模擬量數據，進而判斷兩組數據的極性和變比。

圖4 電流互感器極性測試硬件配置圖

將采樣1的鉗形表卡到一次升流線上，將采樣2的鉗形表卡到電流互感器的二次輸出端子上，根據電壓互感器的變比，在變比撥碼開關上輸入相應的變比數值，這樣CPU可以同時接收到一次側和二次側的電流和互感器的變比。極性的判斷方法是比較一次側電流和二次側電流的相位。幅值比較則為一次側電流除以變比后和二次側電流進行比較。

2.2 電壓互感器極性測量的設計與實現

電壓互感器極性測試的軟硬件設計和電流互感器極性的設計方法相同，不同之處在于電壓互感器極性測量時需要將一次側電壓和二次側電流分別引入表筆1和表筆2的位置。這里重點闡述電壓互感器核相工作的軟件流程和硬件設計。

2.2.1 軟件設計

如圖5所示，該成果能夠分別采集電壓互感器二次繞組的三相電壓幅值和三相之間的相位，并將采集的幅值和相位通過液晶屏顯示出來，與繼電保護裝置的采樣原理相同。

圖5 電壓互感器極性測試軟件流程圖

2.2.2 硬件設計

如圖6所示，電壓互感器的極性測試中需要同時采集三相電壓，然后將三相電壓通過模數轉換芯片轉換成CPU可以直接使用的數字量，從而實現幅值和相位的測量。具體的采集及計算過程和電流互感器一樣，只是電壓互感器模塊采用液晶屏顯示電壓的幅值和角度，需要多寫一段液晶顯示的程序。它的使用方法是將電壓互感器的二次繞組UA、UB、UC以及N600這4根線分別接入測試裝置，在液晶屏上直接讀取測得的結果，有效避免了常規測量中復雜的測試過程。

圖6 電壓互感器極性測試硬件配置圖

3 結 論

目前，多功能數字式極性表已通過仿真實驗并形成產品，被各個工程廣泛采用，測試數據完全滿足相關規程規定。通過工程的應用效果可以看出，它主要包括以下特點。第一，減少實驗時間，提高工作效率。由于多功能數字式極性表通過一次側和二次側的電壓和電流的相位關系進行極性判斷，避免了常規方法中大量的實驗步驟，從而減少了調試時間。第二，程序算法新穎。在成果設計中首次引用相量差算法，利用電流的差動算法分析了互感器的極性。第三，測試結果準確。通過大量的仿真實驗和現場驗證，多功能數字式極性表能夠準確測量互感器的極性。