一種電流互感器極性驗證裝置設計

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

互感器是電力系統一二次之間的橋梁，它利用電磁感應原理，將一次高電壓、電流轉換成二次低電壓、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的區別。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行的關鍵之一[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產生的感應磁場，二次測電流從S1 流出，經過外部設備流入S2 端，一次線圈和二次線圈產生相反的磁場，因此稱為減極性接法。除了有特殊要求，電網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，最直接的結果是二次電流的相位與一次電流相反，由此一來將引發以下幾種不同后果：

■2.1 保護誤動和拒動

如果用在繼電保護電路中，尤其是差動保護電路中的電流互感器極性接反，導致引進繼電保護裝置的電流誤差，極性反接的一相電流相位相反，差動保護互感器二次側電流由原本的0 升高到2 倍感應電流，直接導致差動保護跳閘。電流互感器的極性反接，可能導致繼電保護裝置的誤動和拒動，繼而可能影響到電力系統的運行控制和事故處理，嚴重時會危及設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結的電流互感器，若任意一相極性接反，都會導致計量中未接電流互感器的一相較其它相電流增高倍[2]，而一次實際電流并非如此。

采用不完全星形聯接的電流互感器中，若兩相均接反，在正常情況下二次側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際相位相差180°，從而將使電能計量表反轉。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運行中出線保護誤動、儀表指示異常、電度表反轉時要進行極性檢查[3]。

■2.3 事故案例

案例一：某35kV 變電站的主變壓器差動保護跳閘亭故，通過現場保護特性試驗、絕緣檢查、二次回路電流測量，經過分析事故原因是由于保護裝置內部差動保護用電流互感器高壓側極性接反，當不平衡負荷過大時，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，經調查發現，此出線于該年8 月25 日更換電流互感器時，二次側C 相極性接反，將電流互感器極性正確接回后計量正常運轉[5]。

3 電流互感器極性的驗證方法

目前位置,市場上鮮有電流互感器CT 機型的驗證專用設備，現有常用的電流互感器極性驗證方法為直流法，其原理如圖2 所示，在電流互感器一次側接入一個直流電源V1 和開關K，其中直流電源的正極接入電流互感器一次側的P1 端，負極接入P2 端，電流互感器二次側接入一個電流指示表，電流指示表的正端接入S1 端，負端接入S2 端。當開關K 閉合，直流電源接入電流互感器一次側的瞬間，由于線圈呈感性負載，一次側線圈產生一個緩慢增加直到平穩的電流I1，經過磁心和線圈后，在二次側產生一個緩慢升高至平穩的電流I2，當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 電流互感器極性驗證方法原理

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

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行解線即可驗證。但直流法有以下不足：（1）需要兩人以上配合驗證，直流法的一次回路接入電源位置和二次回路驗證驗證位置通常距離比較遠，需要一人配合開合開關，一人看電流指示表偏轉情況；（2）驗證過程中，斷開開關時，由于楞次定律會導致電流指示表反偏，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）進行驗證時，需要進行多次接線和多次驗證。

4 電流互感器極性驗證裝置的設計

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

■4.1 主機設計

圖3為主機框架圖，主機包括無線模塊、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，最遠收發距離達到3km，滿足長距離的電流互感器極性驗證工作；主機CPU 采用意法半導體的STM32F103 芯片，具有高運算速率，最高可達72MHz 工作頻率，低功耗，具有優良的工業控制作用和引用。

圖3 主機框架圖

主機MCU 通過無線模塊獲取探測器的命令，根據命令控制直流電源的投入相別。如圖3，將設備的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。當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。再由探測器探測二次感應電流來判斷極性參數。

■4.2 探測器設計

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

圖4 探測器框架圖

探測器CPU 通過按鍵信號，獲取選相、調節電流、驗證等命令，可調節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，給主機發送相應的測試命令，由主機進行電流互感器一次側電流投入。探測器通過電流傳感器獲取二次側感應電流的值和波形，通過值和波形來判斷該電流互感器的極性參數。此外，CPU 控制顯示器顯示測試的相別、測試電流等級、測試的結果以及二次感應電流波形等信息。

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，在磁心產生感應磁場，而霍爾元件是對磁敏感元件，對感應磁場產生霍爾電勢Uh。Uh 經過運算放器后接入次級線圈，然后通過MCU 調節次級線圈的補償電流Ib，使得Ib 產生次級磁場，該磁場與初級磁場抵消，直到霍爾電勢達到為0 的動態平衡，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 功能實現

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

圖6 功能實現原理圖

主機部分實現步驟如下：

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

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

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

(4)主機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 的一次回路產生脈沖的直流電流Id1；。

(5)脈沖直流電流Id1 經過CT1 變換到二次回路直流電流Id2。

手持器功能實現步驟：

(1)使用電流探測器探測到電流Id2，并將電流Id2 經過AD 轉換變成電流信號發送給探測器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、波形數據和判斷電流互感器的極性結果數據。

(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 方向為負，頻率為50Hz，則判斷電流互感器為加極性。

(4)探測器CPU 判斷結果后，將電流Id2 的大小、波形數據以及判斷結果發送給顯示器進行顯示。

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

本文設計的電流互感器極性驗證裝置具備遠距離控制功能，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，提高了極性驗證工作的效率，通過電流及波形來判斷，提高了極性驗證的準確率。本設計能夠有效驗證CT 極性參數，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證缺少專用設備、傳統方法效率低、容易誤判等缺點。

5 結語

電流互感器是電站的重要設備之一，給是電網繼電保護、計量等設備正常運行的基礎。在電流互感器新安裝、維修、接線后，投入運行之前，必須對電流互感器極性進行校驗，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證方法。結合傳統的電流互感器極性驗證方法，設計了一種能夠遠程配合工作的電流互感器極性驗證裝置，該裝置較傳統的直流法來說，簡化了操作步驟，減少了人員需求，增加了驗證的準確性，在電流互感器極性驗證上具有廣泛的應用范圍。