基于异频小信号测试原理的互感器校验仪的研制

文/陈龙瑾 孙延松 戚斌 吴达雷 容斌

基于异频小信号测试原理的互感器校验仪的研制

文/陈龙瑾 孙延松 戚斌 吴达雷 容斌

互感器包括电压互感器和电流互感器，是电能计量的主要器具，是计量法规定的强检计量设备之一。根据国家规程要求必须要对安装在现场的互感器进行新装前和运行中的周期性检测。为解决互感器检测行业现存在的诸多问题，本文提出研究一种基于异频小信号测试原理的便携式互感器校验仪装置。该装置可兼容电压、电流（含GIS、套管、发电机出口的互感器）互感器误差（比差、角差）、变比、阻抗等参数测试功能。该装置的成功研制对互感器检测具有重要的实际意义和使用价值。

电压互感器 电流互感器 便携式校验仪 异频小信号

电压互感器和电流互感器又称仪用互感器，是电力系统中经常使用的测量设备，是电能计量中不可或缺的主要器具。根据国家规程要求必须要对安装在现场的互感器进行新装前和运行中的周期性检测。目前，行业内对于安装在现场的互感器进行检测时常用方法有比较法和低压外推法。

比较法采用的是测差原理，即将被检电压（电流）互感器与标准电压（电流）互感器接成并联（串联）回路，在一次侧施加相同的电压（电流）,以一定的二次电压（电流）作为标准电压（电流），取得二次差压（差流）信号，对采集回来差压（差流）信号利用相关公式进行推导计算即可得到互感器的比差和角差。

按互感器检测规程要求，采用比较法检测互感器时，需要使用升压/升流装置、标准PT/CT、负荷箱、校验仪、大电流导线等设备。测试时，对互感器一次侧升高压/大电流。因此，该方法具有设备多、体积大、接线操作复杂、需电源容量大、安全性差等弊端，尤其对于一次回路存在寄生电容、引线长的GIS（封闭式组合电器）内的互感器，因无功分量消耗大，升压/升流困难而难以开展现场检测，同时受现场空间狭小的因素，开关柜内互感器也很难在现场开展检测工作。

为实现研制的校验仪区别于上述比较法存在的弊端，因此，本文提出研制一种采用低压外推法原理的便携式互感器校验仪，通过采用施加异频测试信号对现场互感器进行检测的方式，实现在现场复杂电磁环境下也能准确完成对互感器性能参数的检测。解决了现有低压外推法类设备现场检测精度差、稳定性差的难题，提高测试人员对于被检互感器检测数据进行分析时的准确性和可靠性，提高现场检测工作的效率。

1 基本原理

1.1 异频小信号测试原理

小信号是相对于比较法在检定互感器时对互感器一次侧升高压/大电流而言，在采用小信号测试时主要采用小电压和小电流。异频信号是指测试时装置输出的测试信号频率与工频信号（50Hz）不同。这样可以提高校验仪在复杂的电磁环境下的抗干扰能力。我们在工频信号±10%波动的范围内进行选取。装置在采用小信号的基础上，输出40～60Hz之间的异频信号对互感器相关参数进行测试，再利用相关公式换算成工频信号（50Hz）下的测试结果。

1.2 测试理论

1.2.1 PT测试理论

根据电压互感器的等效电路图和经典误差理论，可知，由于励磁电流、绕组电阻及电抗的存在，导致互感器在测量中由于实际变比与额定变比的不相等，一、二次电压相位的偏移，产生电压比值误差和相位误差。

图1中：V1：一次电压；K：电压互感器标称变比；

Z1′:一次绕组内阻Z1折算到二次的值；Z2：二次绕组的内阻抗；

Y1′：一次励磁导纳Y1折算到二次的值；Yb：二次负载的导纳；

V2：二次侧的实际电压；V1/K：理想状态下的二次标准电压。

如图1，根据电压互感器误差定义，可得：

由公式（1）可以看出，电压互感器存在的测量误差，主要体现在两个方面：一是空载误差（-Z1′Y1′）,它只与励磁导纳Y1和一次绕组空载漏阻抗Z1有关，而与二次绕组的负荷无关，只要一次测电压大小不变，励磁导纳Y1就不变，空载误差就不变；二是因为负载过大，二次侧电流过大引起漏阻抗压降变大，即为负载误差-(Z1′+Z2)Yb，它与励磁导纳无关，它与一次绕组空载漏阻抗Z1和二次绕组的空载漏阻抗Z2及二次负荷Yb大小有关。

因此，采用异频小信号测试法只需测量出电压互感器的变比、一次阻抗、二次阻抗、励磁导纳等参数,结合电压互感器经典误差公式，就可计算出电压互感器在不同电压点、不同负荷下的误差。

图1：电压互感器等效电路图

图2：理想等效电路

图3：电流互感器原理图

图4：电流互感器等效电路图

根据异频小信号测试法的工作原理，一次测试回路阻抗影响实际变比的测试，而且对二次阻抗及励磁导纳测试结果的影响可以忽略。在忽略对二次阻抗及励磁导纳测试部分的影响，GIS内置PT的等效电路图如图2所示，相当于在PT回路上增加阻抗ZP。

根据电压互感器误差定义：

由式（2）做定性分析，当回路阻抗ZP越大，误差值ε越小。

综上所述，最后只要测得出电压互感器的变比、二次阻抗、励磁导纳等参数，再通过经典误差公式即可得出PT的比差和角差。本研究为实现一台校验仪可兼容对GIS内互感器的误差测试，针对GIS一次结构的特殊性，由二次侧模拟加压，多频率仿真的方法，优化消除由于一次寄生电容和阻抗对误差测试结果造成的干扰。

1.2.2 CT测试理论

如图3，假设电流互感器的的一次电流为I1，额定变比为SR，则二次标准电流为I1/SR。

令电流互感器的实际二次电流为I2x，实际变比为ka。则，由电流互感器的误差定义可得：

表1：PT实验验证数据对比

表2：CT实验验证数据对比

表3：110kV变电站现场测试数据

表4：CT现场验证数据对比

图4电流互感器等效电路图，Z2为电流互感器的二次内阻抗；Z为电流互感器外部负载阻抗；Z0为电流互感器励磁阻抗；即励磁导纳Y0的倒数；n1为电流互感器一次匝数；n2为电流互感器二次匝数。

则有ka=V1/V2，由式（3）我们可以推算出：

令：Z2=r2+jx2，Z=rL+jxL，Y0=G-jB则有：

比差：

综上所述，我们只需准确测量出被测CT的实际匝数比（n2/n1）、二次绕组阻抗（r2+jx2）和励磁导纳Y0，通过相关的公式推导，就能计算出电流互感器的误差（比差、角差）。

2 设备研制

2.1 系统结构

根据以上PT/CT的测试理论，我们先通过设备对电流互感器/电压互感器的变比、阻抗及各电流/电压点下励磁和导纳等参数进行测量，再通过信号的采集，上传至系统处理器，利用软件进行计算、优化，最后将得出PT/CT不同电压/电流点下的误差结果。系统整体结构设计如图5所示。

本研制校验仪兼容性强，测量范围宽，精度高。使用单台设备即可完成对常规PT/CT各电压/电流点的误差测试，同时也可对组合电气（GIS内）的电磁式电压/电流互感器的参数进行测量，并得出误差结果。其主要参数如下：

（1）PT测量范围：一次电压1～1000kV；二次电压：

CT测量范围：0.5/1(2.5/5)---2500/1(12500/5)、2500/1(12500/5)--15000/1(75000/5)

（2）测试精度：优于0.05级，最高可达0.02%

（3）二次负荷测量范围：

CT:0～250VA；

PT:0～600VA

（4）工作电源：AC100～ 250V 50/60Hz；

（5）整机重量：9kg。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 DSP底层及运算单元

DSP底层及运算单元主要由第一信号放大器、第一信号采集器、第一信号处理器、驱动模块、和第一处理器组成。该单元可与人机交互单元进行双向串口通讯，可接收来自键盘输入的被测互感器的参数和测试命令。先由第一信号放大器输出预设的测试信号对互感器进行模拟加压/升流，再由第一信号采集器负责自动采集滤波后的反馈信号，最后由第一处理器对数据进行处理运算，结果向上输出并在显示屏上显示结果。系统内置有保护模块，当有异常情况发生时，保护模块自动启动，切断相关电源使系统和测试人员不受伤害。

DSP采用的是TI公司生产的信号TMS320F2810芯片。同时采用AD公司的AD7600芯片进行采样。两款芯片性能优异，可保证系统测试最小分辨率为0.05%，实际变比优于0.03%。

在测试时，DSP快速对采集反馈的信号进行处理，可增强系统的逻辑运算能力和快速对被测对象建模，保证系统的运行效率和各部分电路控制正常。

2.2.2 ARM人机交互单元

人机交互单元采用基于Linux的嵌入式系统，核心采用AT91SAM7X512处理芯片，该芯片性能稳定、安全性好，是32位RISC架构，片内集成了ARM公司的ARM7DTMI的Thumb处理器，高速Flash和SRAM，高密度16位指令，可满足系统设计方案。通过与键盘模块通信，接收键入的测试参数、发出测试命令，并将最终运算的的测试数据上传到显示屏，供用户查看。同时系统还设计有标准USB通讯接口，可实现数据下载、打印等功能。

2.2.3 供电单元设计

供电单元为本系统其他单元模块提供工作电源，设计可输入AC100-250V，50/60HZ电源。

为保证设备正常可靠工作，在电源输入时先进行滤波处理，并设计有过压/过流保护，经滤波处理后的电源信号输入到UCOSEL的SMPS开关电源电路，最终转换输出DC12V供给其他模块。在供给其他单元直流电源时，也设计有过压/过流保护电路，确保测试人员及设备的安全。

2.3 系统软件设计

系统测试主程序工作流程如图6示。

本测试系统具备设置调频输出、互感器参数自定义输入、数据存储及数据分析部分，为满足系统设计要求，因此采用了因此采用了基于 TI芯片组的 DSP开发平台软件，有效提高了数据的执行和传输效率。

系统软件利用了快速傅里叶变换（FFT）算法，因傅里叶变换是一种将信号从时域到频域换转换，这个转换有助于研究信号的功率谱，使计算更有效率，是信号处理与数据分析领域里最重要的算法之一。

3 测试验证

3.1 实验室验证

我们在实验室内对一只0.5级的电压互感器和一只0.02S级的电流互感器进行误差测试，并将测试数据与比较法的测试数据进行对比，具体数据如表1和表2所示：

（1）PT厂家：上海嘉定互感器厂；

（2）准确度0.5级，负荷：30VA；

（3）型号：JDZJ-10。

（1）CT厂家：宁波三维；

图5：系统整体结构设计图

（2）准确度0.2S级，负荷：20VA；

（3）型号：HL06-2S。

3.3 现场实际测试

为验证校验仪在现场测试GIS PT/CT的实际测试效果，我们选取了贵港供电局110kV东湖变电站电压互感器和贵港供电局110kV金垌变电站电流互感器进行实验，并将测试结果与GIS PT/CT出厂值对比，如下：

（1）PT厂家：江苏思源赫兹互感器有限公司；

（3）准确度：0.2级，0.5级，0.5级，负荷：20VA，30VA，30VA；

1.CT厂家：北京四方继保工程技术工程有限公司；

2.准确度0.2S级，负荷：40VA；

3.型号：LGBJ-35。

4 结果分析

从实验室和现场的测试情况来看，可得出以下结论：

根据电压互感器检定规程(JJG314-1994)和电流互感器检定规程(JJG313-1994)有关PT/CT精度误差的要求， 本研制的校验仪对实验室PT/CT和现场GIS式PT/CT的测试结果，测试数据不存在超差现象，符合其0.2级和0.5级标称精度要求。

5 结论

本研究所提出的基于异频小信号测试原理的互感器校验仪，具有兼容性强，测试精度高，安全性高，轻巧便携等优势。通过他可以对常规电磁式电压/电流互感器和GIS内电磁互感器进行误差、阻抗等多个参数的测试，测试结果满足相关检定规程的要求。极为方便现场或实验室使用，有效提高对互感器的检测技术水平和工作效率。

图6：系统测试主程序工作流程图

[1]赵修明,赵屹涛.低压外推法测定电流互感器误差[J].电测与仪表,2004(12).

[2]赵玉富,林玉涵,杨乃贵,陈耀高,武坤.500kV电流互感器误差小信号测试设备的研制[J].电测与仪表,2014(06).

[3]关志东,吴智海.一种新型便携式电压互感器校验仪的研制[J].自动化应用,2015.

[4]陆干文.钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究[J].电机与电器,2010.

作者单位 海南电网有限责任公司电能计量中心 海南省海口市 570100

陈龙瑾（1988-），男，大学本科学历。助理工程师，从事电能计量技术研究工作。

孙延松（1972-），男，大学本科学历。工程师，从事电能计量技术研究工作。

戚斌（1970-），男，大学本科学历。工程师，从事电能计量技术研究工作。

吴达雷(1986-)，男，大学本科学历。工程师，从事电能计量技术研究工作。

容斌(1991-)，男，大学本科学历。助理工程师，从事电能计量技术研究工作。