基于差动原理的多功能数字式极性测试仪的关键技术研究

蒙 飞，孙 原

（国网宁夏电力调度控制中心，宁夏 银川 750001）

0 引 言

继电保护装置对接入电压和电流的极性有严格要求，如差动保护、线路纵联差动保护以及距离保护等[1]。如果互感器的极性接反，则可能导致差动保护的拒动或者误动，引起保护线路越级跳闸。可见，互感器极性的错误将会影响到故障的正确切除，从而造成严重的电力事故，影响电力系统的安全稳定运行[2]。新建变电站或者技改过的互感器必须进行极性和变比测试，以确定互感器的极性是否满足相关要求。目前，电压互感器极性和电流互感器的测试方法主要是利用干电池组、指针式极性表以及导线等，根据电阻与电感构成的阶跃方程原理进行极性测试。这种方法测试结果准确，因此被电力系统广泛采用。但是，这种测试方法比较复杂，需要多人配合才能完成，导致需要更多的时间测试极性，影响工程调试的进度。为解决上述问题，本文利用差动电压电流原理设计了一款便携式极性测试仪器，以解决互感器极性校验的问题[3]。

1 基于差动电流（电压）法测量互感器极性的原理

1.1 差动电流法测量电流互感器极性的原理

根据继电保护原理可知，电流互感器工作原理类似变压器的工作原理。因此，如果接线方式为减极性，则二次侧的电流和一次侧的电流相差180°；反之电流相差为0°。测量原理如图1所示。

图1中，钳形夹1的极性端和一次侧的极性端一致，钳形夹2的极性端和二次侧的极性端相反。根据原理图可以得到：

图1 电流互感器极性测量原理图

式（1）为反极性接线方式，式（2）为正极性接线方式。其中：nCT为电流互感器的变比i˙（1）为一次侧电流的向量表达式；i˙（2）为二次侧电流的向量表达式。

在测试电流互感器极性的同时，同样可以测得电流互感器的变比误差δ%：

实验时，需要在极性表的变比设置拨码里设置电流互感器的真实变比。如果误差率满足要求，说明电流互感器的极性同样满足要求。

1.2 差动电压法测量电压互感器极性的原理

电压互感器极性测试的原理和电流互感器极性测试的原理一样，只是将极性端的钳形夹换成表笔，测试原理如图2所示。

图2 电压互感器极性测量原理图

根据原理图可以得到：

式（4）为反极性接线方式，式（5）为正极性接线方式。其中：nTV为电压互感器的变比；u˙（1）为一次侧电压的向量表达式；为二次侧电压的向量表达式。

电压互感器变比误差δ%为：

只要误差满足要求，则说明电压互感器的变比也同样满足要求。

2 多功能数字式极性表的设计与实现

2.1 电流互感器极性测量的设计与实现

2.1.1 软件设计

如图3所示，电流互感器极性测量的软件部分采用流线型设计，先采集模拟量，将采集到的模拟量转化为数字量，并通过逻辑运算处理数字量，将处理后的结果输出到相应的CPU端口。逻辑计算的原理采用电流差动原理。

图3 电流互感器极性测试软件流程图

2.1.2 硬件设计

硬件设计主要是对数字极性表的硬件回路进行设计。如图4所示，硬件部分主要包括2组钳形夹子、1个AD7874模数转换芯片、1个AT89C52中央处理器、1组红色和绿色LED显示灯以及1组设置变比用的拨码开关。它的主要功能是处理采集的模拟量数据，进而判断两组数据的极性和变比。

图4 电流互感器极性测试硬件配置图

将采样1的钳形表卡到一次升流线上，将采样2的钳形表卡到电流互感器的二次输出端子上，根据电压互感器的变比，在变比拨码开关上输入相应的变比数值，这样CPU可以同时接收到一次侧和二次侧的电流和互感器的变比。极性的判断方法是比较一次侧电流和二次侧电流的相位。幅值比较则为一次侧电流除以变比后和二次侧电流进行比较。

2.2 电压互感器极性测量的设计与实现

电压互感器极性测试的软硬件设计和电流互感器极性的设计方法相同，不同之处在于电压互感器极性测量时需要将一次侧电压和二次侧电流分别引入表笔1和表笔2的位置。这里重点阐述电压互感器核相工作的软件流程和硬件设计。

2.2.1 软件设计

如图5所示，该成果能够分别采集电压互感器二次绕组的三相电压幅值和三相之间的相位，并将采集的幅值和相位通过液晶屏显示出来，与继电保护装置的采样原理相同。

图5 电压互感器极性测试软件流程图

2.2.2 硬件设计

如图6所示，电压互感器的极性测试中需要同时采集三相电压，然后将三相电压通过模数转换芯片转换成CPU可以直接使用的数字量，从而实现幅值和相位的测量。具体的采集及计算过程和电流互感器一样，只是电压互感器模块采用液晶屏显示电压的幅值和角度，需要多写一段液晶显示的程序。它的使用方法是将电压互感器的二次绕组UA、UB、UC以及N600这4根线分别接入测试装置，在液晶屏上直接读取测得的结果，有效避免了常规测量中复杂的测试过程。

图6 电压互感器极性测试硬件配置图

3 结 论

目前，多功能数字式极性表已通过仿真实验并形成产品，被各个工程广泛采用，测试数据完全满足相关规程规定。通过工程的应用效果可以看出，它主要包括以下特点。第一，减少实验时间，提高工作效率。由于多功能数字式极性表通过一次侧和二次侧的电压和电流的相位关系进行极性判断，避免了常规方法中大量的实验步骤，从而减少了调试时间。第二，程序算法新颖。在成果设计中首次引用相量差算法，利用电流的差动算法分析了互感器的极性。第三，测试结果准确。通过大量的仿真实验和现场验证，多功能数字式极性表能够准确测量互感器的极性。