精密電流互感器自動化檢定裝置系統設計

王永興，劉罡，姜春陽

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著我國電力事業的快速發展，精密電流互感器在計量領域使用日益廣泛。目前，精密互感器的檢定管理模式已形成由省市集中招標、集中采購、集中檢驗、統一配送的管理模式。因此，精密電流互感器在省級計量檢定部門檢定工作量大幅提升。傳統校驗檢定方法采用人工切換變比方式，存在勞動強度大、效率低等缺點［1-3］。因此，亟須研制一種精密電流互感器自動化檢定裝置。

文獻［4-6］研制了不同類型的電子式高精密電流互感器校驗儀，通過校驗儀完成精密電流互感器自動化檢定；文獻［7-8］通過軟件方式完成精密電流互感器的半自動化檢定；文獻［9-10］通過介紹了檢定系統一次側切換方式的研究。上述方法均存在一定的局限性：校驗儀自動化檢定法對互感器校驗儀依賴程度過高，一旦互感器校驗儀出現故障則無法完成檢定。軟件自動化檢定實質上只能自動完成同一變比內不同測量點，對于不同變比的切換仍需手動完成。一次側切換方式著重對硬件進行升級改造，缺乏對軟件系統的設計。文獻［11-16］對低壓電流互感器自動化檢定進行了不同程度的研究，但未應用于高準確度等級的精密電流互感器。

提出一種基于高性能的單片機和CPLD 芯片的精密電流互感器自動化檢定裝置，采用單片機和CPLD 芯片控制一次、二次的接線更換，實現自動升流、自動變比切換、自動檢定等功能。

1 系統整體結構設計

系統整體結構如圖1所示，主要由PC機、互感器校驗儀、調壓器、升流器、RS485 總線和互感器檢定線路組成。其中，互感器檢定線路包括切換控制板、標準電流互感器一、二次接線和被試電流互感器一、二次接線。系統采用集中管理設計理念，事先根據檢定規程要求和實際測量需求對軟件進行測量流程預設，同時將切換控制板與標準電流互感器、被試電流互感器全部一次、二次端子連接，通過切換控制板內部繼電器完成標準電流互感器、被試電流互感器一次端子和二次端子的導通。試驗開始時，PC 機軟件首先檢測本次測量的標準電流互感器變比，并計算出需要導通的標準電流互感器、被試電流互感器一次端子和二次端子，通過RS485 通信接口下發指令，由切換控制板執行命令，進而完成標準電流互感器和被試電流互感器的一次、二次接線更換功能。當本次測量的變比完成試驗即標準電流互感器、被試電流互感器的一次電流和二次電流均為零時，對切換控制板發出過零點信號，切換控制板通過RS485 通信接口向PC 機軟件發出本次測量變比完成指令，進而PC 機軟件開始進行下一變比的測量，如此循環完成自動變比切換功能。同時，PC 機軟件根據檢定規程要求和實際測量需求的預設指令，通過RS485 通信接口對互感器校驗儀的不同測量點進行限定。當互感器校驗儀達到所需測量點時，暫時停止調壓器升壓和升流器升流動作。由互感器校驗儀完成本測量點誤差數據的采集，并上傳給PC 級軟件。當完成誤差數據的采集后，繼續完成調壓器升壓和升流器升流動作，直至達到下一個所需測量點，如此循環完成同一變比的所有測量點的誤差數據的采集上傳功能。

圖1 系統整體結構

按照檢定規程要求或常見測量需求，對電流互感器進行檢定時，設定額定電流為IN，額定負荷至少需要完成5%IN，20%IN，100%IN，120%IN下的基本誤差測量，輕載負荷至少需要完成5%IN，100%IN下的基本誤差測量。當突然完成上述測量點切換時，在標準電流互感器、被試電流互感器一次側有可能產生高壓電弧及諧波干擾，對被試電流互感器的計量準確度和穩定性產生影響［17-18］。為避免上述情況的發生，本研究檢定系統中采用軟啟動策略，在切換控制板中對標準電流互感器的一次側端子電壓采用動態監視，當標準電流互感器、被試電流互感器的一次側端子電壓達到過零點時立即完成下一測量點的切換，有效地控制了高壓電弧及諧波產生。

2 互感器檢定線路設計

2.1 標準電流互感器結構

標準電流互感器結構如圖2 所示。一次繞組N1的端鈕為L1—L8，中間抽頭式；一次補償繞組Nb與它對應，其端鈕為b1—b8，用來間接接地，即b1接一次極性端L1，與一次繞組非極性端L2—L8相對應的b2—b8接地；二次繞組N2也為抽頭式，端鈕為K1—K9；二次補償繞組NB與二次繞N2組相對應，其端鈕為B1—B9。各電流比的實際接線由標準和被試互感器銘牌提供，本文不再贅述。

圖2 標準電流互感器結構

2.2 互感器檢定線路

互感器檢定線路如圖3 所示（忽略補償繞組Nb和NB）。標準電流互感器一次繞組極性端L10與被試電流互感器一次繞組極性端L11相連，標準、被試電流互感器一次繞組非極性端L20和L21接升流器。標準、被試電流互感器一次繞組與升流器總體呈串聯狀態，接收來自升流器的大電流。標準電流互感器二次繞組極性端K10與被試電流互感器二次繞組極性端K11相連，同時與互感器校驗儀K 端子相連。標準電流互感器二次繞組非極性端K20與互感器校驗儀T0端子相連。被試電流互感器二次繞組非極性端K21接負荷ZX后與互感器校驗儀TX端子相連。互感器校驗儀D 端子接地。標準、被試電流互感器二次繞組總體亦呈串聯狀態，通過互感器校驗儀供電回路T0-TX端子和測差回路K-D端子完成對電流互感器計量誤差的檢定。

圖3 互感器檢定線路

3 PC機內部數字電路設計

PC 機內部數字電路設計如圖4 所示，主要由16位單片機TMS28335、可編程邏輯芯片CPLD、靜態存取器SPAM、閃存存取器FLASH、MAX232 串口總線、DA 和AD 轉換器、各路輸入和輸出模塊組成。互感器檢定線路得到計量誤差、電流等參數通過外部輸入模塊通過8 通道同步采樣模塊傳輸至CPLD 中，CPLD 將參數通過SPAM 和FLASH 傳輸至單片機TMS28335 中進行數據處理。TMS28335 將處理后數據通過8路隔離輸出和2路串口總線輸出完成對圖1中切換控制板的控制。同時CPLD 亦可將數據通過20 路隔離輸出和經轉換的4 路AD 輸出傳輸至切換控制板。互感器校驗儀顯示數據由CPLD外設顯示模塊提供。按鍵輸入功能和打印功能亦由CPLD實現。

圖4 PC機內部數字電路設計

4 系統軟件設計

基于TMS28335單片機和可編程邏輯芯片CPLD系統的檢定裝置，其軟件系統采用CCS 開發平臺，運用匯編語言編寫。主程序流程如圖5 所示，包括硬件系統啟動、軟件系統初始化、自動升流、設定百分點判斷、測量點判斷、數據自動上傳等流程。首先將檢定裝置硬件系統電源啟動，打開系統軟件進行初始化，開始自動升流操作。系統開始進行設定百分點的判斷，當未達到額定百分點時系統自動升流，當系統到達設定百分點時暫停升流，記錄此時的檢定數據。然后進行測量點結束的判斷，當測量點未結束時則繼續自動升流，并繼續執行設定百分點的判斷，當到達設點百分點同時測量點結束時，停止升流并將數據自動上傳至軟件系統中，檢定流程結束。

圖5 主程序流程

5 設備比對試驗

為驗證該檢定裝置試驗性能，采用相同的標準電流互感器和被試電流互感器與人工試驗臺體進行設備比對。依據JJG 313—2010《測量用電流互感器檢定規程》和JJG 1021—2007《電力互感器檢定規程》要求［19-20］對被檢電流互感器所有30 個變比均進行檢定，試驗時間和人數等信息如表1 所示。由表1可知，采用自動化檢定裝置無需換線人員，可節省1人的試驗人數。同時由于在切換變比過程中自動檢定裝置單次時間僅需要0.5 min，人工試驗臺體需要2 min，因此自動檢定裝置試驗總時間大大減少。設備比對表明：本精密電流互感器自動化檢定裝置可大幅提高試驗效率，減輕人員勞動強度。

表1 設備比對試驗信息

6 結語

提出一種精密電流互感器自動化檢定裝置，對系統整體結構進行了設計。對標準電流互感器內部結構和互感器檢定線路進行設計和分析，給出PC 機內部芯片的數字電路圖和系統軟件的主程序流程圖。在相同標準器和被試品條件下將本檢定裝置和人工檢定臺體進行設備比對，證明本檢定裝置可大幅提高試驗效率，減輕人員勞動強度。

目前，本檢定裝置最大電流設計為5 000 A。當電流繼續增大時對切換控制板的切換能力要求更高，會出現未完成自動切換現象。同時，切換控制板對消除互感器一次側高壓電弧和諧波的研究尚處于理論研究階段，缺乏準確的應用驗證。另外，切換控制板的使用壽命能否如標準電流互感器一樣可以長期使用有待時間檢驗。因此，設計具有長使用壽命、可切換更大電流的切換控制板以及切換控制板對消除電弧和諧波的詳細分析將是未來工作的主要方向，相關研究成果將在未來給出。