基于接地点识别的互感器二次接线校验仪开发与应用

丁鹏程，吴泽霖，刘思辰

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局, 广东 佛山 528000；2. 华中科技大学，武汉 430074)



基于接地点识别的互感器二次接线校验仪开发与应用

丁鹏程1，吴泽霖2，刘思辰2

(1.广东电网有限责任公司佛山供电局, 广东 佛山 528000；2. 华中科技大学，武汉 430074)

针对互感器二次回路接线校验存在的问题，结合南方电网10 kV电能计量装置典型设计，提出一种基于接地点识别二次回路极性的新方法，该方法通过在互感器的二次侧施加高频正弦波来检测两端对地电压差别来判断极性，并根据此方法开发了互感器二次回路接线校验仪，分析该仪器的主要的硬件电路、软件工作流程与主要算法。并通过实际应用证明该方法操作便捷、安全可靠，提高了电能计量装置二次回路现场接线校验效率和准确度。

电能计量；二次接线；接地点识别

电流互感器和电压互感器是电力系统的重要组成部分，其二次回路极性是否正确、是否短路或者断路，一方面关系到电力计量本身的准确性，另一方面会对电网或用户造成巨大的经济损失，极端情况下甚至会影响到电力系统的安全稳定运行和人身安全[1]。

在10 kV电能计量装置验收中的装表接电环节，装表接电人员装表前必须确认互感器二次侧导线放线是否正确。通常使用直流法来检验互感器二次接线[2-3]。相关研究对校验方法进行了改进，但大多数仍是采用直流法判断极性[4-5]，也有采用交流法[5-6]或是基于脉冲电压的测试极性方法[6-8]，以上方法都存在着操作便捷性或者适用范围方面的问题。该文基于计量回路接地点位置明确的特点，提出一种判断互感器极性的新方法，并研发了互感器二次回路接线校验仪。该设备同时适用于电流互感器、电压互感器，且可同时判断二次侧接线是否短路、断路，大大提高了互感器二次回路接线校验的效率。

1 10 kV电能计量装置典型设计接线介绍

10 kV电能计量装置典型设计接线如图1所示。图1中，U、V、W为三相母排，U410、U411为U相电流互感器二次出线，W410、W411为W相电流互感器二次出线，U630、V630、W630为互感器二次侧U、V、W三相出线。其中，电流互感器侧U411、W411端接地，电压互感器V630端接地。一般情况下，U410、U411、W410、W411、U630、V630、W630这些二次线沿线槽从互感器二次接线端经互感器室到仪表室的电能表前。

图1 10 kV电能计量装置典型设计接线

实际接线中，U、V、W三相分别为黄绿红三色，因为U410与U411以及W410与W411同色，在电能表前端容易错接造成反极性，电压互感器因为V/V型接法，U630与V630、V630与W630也有一定的几率出现错接。

2 互感器二次接线校验仪的开发

2.1 基于接地点识别的二次接线校验原理

从图1可知，互感器二次侧的U411、W411、V630端是接地的。在互感器一次侧不通电的情况下，如果能在互感器的二次侧检测出接地的线端，就能有效验证接线的正确性，如图2所示。

(a) 互感器二次侧正仅极性接线示意

(b) 极性校验示意

但根据典型参数设计，电流互感器和电压互感器直流电阻很小，处于毫欧级别,在工频情况下二次侧阻抗也是很小的值。正因为其阻值太小，那么直接用万能表的欧姆档测量A、B点与接地点的电阻是不易判断那一端为接地点。

互感器二次侧正反极性下有两种不同接法，如图2(a)所示。为了可靠的判断出接地点，在互感器的二次绕组侧通以高频正弦波，实时检侧A、B点与接地点间的电位，则与接地端相联的点电位一直处于低电位，而非接地点则有一定频率和幅值正弦波输出。这样就可以判断出那一端为接地点。

如图2(b)所示，R为串联回路的采样电阻，U为产生高频交流正弦波的激励源。忽略互感器的直流电阻，在互感器二次侧开路的情况下，对A、B电位进行简化计算得到如下表达式;

UB=0

(1)

(2)

(3)

由公式(2)可知，为了更好的判断极性，激励源正弦波的频率和幅值越大越好，得到的UA幅值接近于输入电源电压，这样信号更容易检测，但实际过程输入频率不宜过高，幅值也不宜过大。因为在互感器二次侧开路的情况下，会在互感器的一次侧感应出变比k倍的电压，对测量人员产生安全隐患。同样频率过高，采样电阻分压电压就很小，容易引起线路断路状态的误判。实际应用中取值应根据实际互感器合理取值。互感器二次回路接线状态判据如表1所示。

表1 互感器二次回路接线状态判据

测量量接线状态I>0,UA=0,UB=U正极性I>0,UA=U,UB=0反极性I>0,UA=0,UB=0短路I=0,UA=0,UB=0断路

2.2 硬件设计

基于上述二次回路校验原理，二次回路校验仪主要由主控制器、正弦波信号发生电路、信号采样电路和人机交互等核心硬件电路组成。本设计中使用DSPTMS320F2812作为主控制芯片。其系统结构示意如图3所示。

其中正弦波信号发生电路用于产生正负电压对称的高频正弦波信号提供激励源。其主要有数模转换DA电路，用以产生高频的正弦波，功率放大电路对产生的正弦波信号进行功率放大，使之具备一定的带载能力。信号采样电路是对A、B点对地电位和采样电阻的电压进行采样，主控器DSP2812读取采样值并进行数据分析(FFT运算)，进而对互感二次回路接线的状态进行判断。人机交互电路则实现按键操作处理、LCD显示等人机交互功能，方便仪器的操作与使用。

图3 系统结构示意

2.2.1 电源模块

考虑到二次接线校验仪为便携式设备，供电电源由一块24 V ,2 000 mA锂电池作为供电源，再将其转换成系统所需要的电压类型等级。

2.2.2 信号发生电路

信号发生电路由DA电路和功率放大电路组成。DA数模转换芯片AD7538精度为14位建立时间只有1.5 ms，支持并联总线输入和双电源输出，满足要求。其电路如图4所示。

图4 信号发生器DA电路

由于互感器的二次阻抗比较小，为了提高其带载能力，需将所产生的正弦波进行功率放大。功率放大芯片选用 TI 公司的 OPA541，可连续输出 5A 的大电流，峰值电流可达 10 A，且内部自带保护电路。功率放大电路如图5所示[9]。

2.2.3 信号采样电路

信号采样电路包括信号调理电路和采样电路。调理电路中，A、B点的电压信号经隔直电容后,再通过由运算放大器TL062构成电压跟随器送给AD,这样是为了进一步提供带载能力。而电流信号经高精度功率电阻转化成电压信号，再经过仪用放大器放大接入AD。

设计中采用ADI公司的AD7606-4模数转换芯片，单电源5 V供电，却支持±5 V或±10 V双极性信号采样。这样可以大大简化电源的设计。同时它支持4通道同时采样，每个通道均能以高达 200KSPS 的速率进行采样。

图5 功率放大电路

但因为是对接地点的检测，必须将采样模块的数字地和模拟地完全隔离开来，数字信号隔离由最高支持90 Mbps的数据传输速率的四通道双向数字隔离器ADUM2401和 ADUM2402进行数字信号隔离。同样需要对AD的供电电源进行隔离，隔离模块采用5 V转5 V的隔离模块。这样就保证测量的可靠性。其典型电路如图6所示。

图6 AD采样电路

2.2.4 人机交互电路

为了方便测量结果的显示，测量结果采用液晶显示屏进行显示，LCD 模块选用金鹏OCMJ4X8C 型LCD1284单色液晶，自带有字库，操作指令精简，接口方式灵活。用做人机交互界面大大节约开发成本。同时四路独立按键进行输入，以满足测试、数据查看等要求。

2.3 软件设计

软件部分主要由以下几个部分构成：初始化程序、正弦波波形发生程序、AD 数据采样程序、数据计算及其运算判断程序和人机交互程序。

2.3.1 正弦波产生

通过DA转换芯片产生正弦波一般采用查表法。正弦波表是对一个周期的正弦波依次等间隔时间对其采样而得到的数组。

根据AD7538的数据手册，制作输出正负电压的128位的正弦波表函数如下,其中ceil表示取整函数。

Y=ceil(214/2-1)*sin(0:π·2/128：2·π)+213

(4)

通过DA转换芯片对正弦表不同的等间隔输出，就可以得到不同频率的正弦波。对固定长度N的正弦波表其等间隔时间越短输出的频率越大，其值为1/N·Δt。那么用定时器定时通过DA转换芯片依次输出，就可以得到正弦波。

2.3.2 信号采样

由于对正弦波信号进行采样，需要得到它的幅值与频率，根据香农采样定理，采样的频率必须大于被采样的频率的2倍。为了实现判断的准确性和快速，采样的点数取为128个，AD7606的采样频率设为30 kHz。同样AD7606 的采样频率由 DSP2812 的时间管理器EVA定时器1控制。AD7606采样串行SPI通信模式进行通信，这样需要的通信的信号线较少，只需要2块隔离芯片即可。2.3.3 数据运算

数据运算程序主要是对AD采样得到的数据进行处理，主要用到的是快速傅里叶变换算法(fft)。快速傅里叶变换算法是一种傅里叶变换的高效算法。从而可以将采样的时域信号转换为频域信号，这样可以得到采样正弦波的基波的频率和幅值。通过采样的信号的基波的参数就可以判断二次侧互感器的接地情况，进而判断互感器的极性和接线状态。

2.3.4 LCD显示和按键

由于DSP的总线被DA转换芯片AD7538占用，所以采用DSP2812的I/O口模拟并行总线对LCD进行控制。8根独立的GPIO口线代替8位并行总线，使能读写线也由GPIO口线模拟所要求的时序进行操作[9]。

3 互感器二次回路校验仪应用情况

基于上述设计方案，研制出了样机。

样机为手持式终端，带有三根出线，在测试时其中一根连接计量柜体的地线，另两根连接互感器在计量表计前的两根二次线，点击测试按钮，校验仪输出10 kHz的电流信号，流过互感器二次线圈，与地面构成回路。通过输出点采样电压的比较，在屏幕上显示出校验结果。

佛山供电局计量中心运维班组在专变客户计量装置验收过程中，多次利用该测试仪对安装的10 kV计量用电流互感器及电压互感器二次回路接线进行测试。试验证明该方法能够正确反映电流互感器，电压互感器的极性、短路和断路情况，实现了既定的目标。

4 结束语

通过基于接地点识别新方法的研究，研制了新型电能计量二次回路接线校验仪。该技术方案改进了传统电流互感器、电压互感器二次侧校验的弊端，提高了二次回路校验的准确性和速度，有效避免因极性错误导致电力事故发生和电量计量不准的情况，提升了现场工作效率。

[1] 黄 伟.电能计量技术[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] 王春生.电路分析及磁路[M].重庆：重庆大学出版社, 1995.

[3] 王裕喜.电流互感器变比和极性的测试方法[J].云南水力发电,2008，24(06):99-101.

[4] 谢 冰,许 航,肖学权.电流互感器极性测试新方法的研究[J].中国高新技术企业,2013(22):16-17.

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[6] 叶启明.判断电压电流互感器极性的新方法[J].大众用电,2005(8):30-31.

[7] 许 箴,朱 鹏,褚国伟,等.脉冲电压在电压互感器极性测试中的应用[J].高压电器,2014(10):116-120.

[8] 欧传刚,朱 鹏,褚国伟,等.基于ARM的电压互感器极性检测判别系统[J].电器与能效管理技术,2014(17):22-25.

[9] 丁鹏程.脉冲磁体阻抗的精密测量[D].华中科技大学,2012.

本文责任编辑：罗晓晓

Development and Application of Transformer Secondary Circuit Wiring Calibrators Based on Earthing Point Identification Method

Ding Pengchen1, Wu Zelin2, Liu Sichen2

(1. Foshan power supply Bureau of Guagdong Power Grid corporation, Foshan 528000, China； 2. Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China)

To check connection error in transformer secondary circuit, this paper introduces an original polar testing method based on the identifying earthing point theory applying to the typical design of the 10 kV electric energy metering device, which measures the terminal voltages of transformer secondary circuit driven by a high-frequency sinusoid wave. The hardware circuit diagrams, the software design diagrams, and the algorithms are illustrated in detail. Tests in-situ show that the calibrator is of accuracy and feasibility, providing a new solution to improve the efficiency of transformer secondary circuit wiring.

electric energy measurement;secondary circuit wiring;earthing point identification

2016-08-02

丁鹏程(1986-)，男，工程师，主要从事电能计量运维工作。

TM45

B

1001-9898(2016)05-0021-04