一种通用极性测试电路的研制

2018-10-21许继东李晓辉宋柏岩李秋实艾岳武

电力安全技术 2018年9期

许继东，李晓辉，宋柏岩，李秋实，艾岳武

(1.国网吉林省电力有限公司东丰县供电公司，吉林辽源 136300；2.国网吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林辽源 136200)

0 引言

在制造过程以及大修过程中，有可能出现电流互感器接线错误或者端子标识错误的情况，继而造成极性错误问题。若电流互感器发生极性错误，二次输出电流相位就会反转180°，造成继电保护误动或拒动，还会造成测量和计量失准。为了保证电力系统、设备的运行安全以及电能计量的正确性，在首次和大修后重新接入电力系统一、二次回路前，应按相关规定对电流互感器极性进行测试。

1 电路的极性测试方法

通常电流互感器都采用减极性标注法，其特征是一次侧电流从P1端流入时，二次侧电流从S1端流出。根据上述特征，当前互感器极性测试方法主要有直流法、交流法和仪器法。

1.1 直流法

直流法就是在电流互感器二次端子S1，S2间接入指针式万用表，万用表正极和端子S1连接，万用表负极和端子S2连接。为了加大指针摆幅，万用表调到电流档或电压档的最低档，将一节或几节串联干电池负极和电流互感器一次端子P2连接。在电池正极和端子P1接通瞬间，万用表指针右偏；在断开瞬间，万用表指针左偏，说明互感器极性标注正确。若方向相反，则说明互感器极性标注有误，需要纠正。

用直流法测定电流互感器极性时，互感器变比越大，其二次输出电流越小，极性测试越困难。对电流进行折算时，把测试时的一次施加电流除以互感器变比即可得到二次电流。实验发现：当二次电流小于3 mA时，用直流法很难测定；而干电池可测变比小于1 000/1的电流互感器极性。随着电力系统内变压器容量的增加以及二次额定电流为1 A的电流互感器的应用，电力系统内电流互感器变比越来越大，即变比大于1 000/1的电流互感器越来越多。

另外，直流法还有一个特殊要求，就是必须要用指针式万用表，不能用数字式万用表，因为数字万用表无法判断瞬变电脉冲方向。

直流法的突出优点是原理简单、使用器材少。

1.2 交流法

交流法就是把电流互感器一次端子P2和二次端子S1短接，在一次端子P1和二次端子S2间接入10 V以下交流电压。将外加交流电压记为U，一次端子P1，P2间电压记为U1，二次端子S1，S2间电压记为U2。测量3个电压U，U1，U2，如果U=U1+U2，这说明互感器极性标注正确；如果U=-U1+U2，这说明极性标注有误。电流互感器变比越大，U和U2越接近，U，U1，U2之间关系判定就越困难。因此，交流法的实际使用范围很小，只能测试变比小于10的电流互感器极性。

交流法原理简单，操作也不复杂，可以使用普通数字万用表。

1.3 仪器法

仪器法就是采用电流互感器综合特性测试仪来测定电流互感器的极性，极性测试是电流互感器综合特性测试仪的一项辅助功能。这种方法的缺点是仪器昂贵、大量作业单位难以配备、仪器笨重、运输不便以及需要交流220 V电源支持。

2 通用极性测试电路的研制

2.1 整体要求

在电力系统中，电流互感器数量多、分布广，极性测试工作频繁，因此研制一种专用的极性测试装置是必要的。结合电力系统实际情况，这种极性测试装置应有如下特征：

(1) 通用性强，可测定当前以及未来电网中所有变比的电流互感器极性，还可测定电网中所有电磁式电压互感器以及变压器的极性；

(2) 操作简单、工作可靠；

(3) 体积小，易于携带和使用；(4) 成本低，易于配置。

2.2 电路设计

通用极性测试电路的设计如图1所示。按照功能整机电路，该电路可以分成4个部分：输入整理、极性判别、极性指示和电源控制。

输入整理部分完成对输入信号的限幅和滤波，由二极管D1、二极管D2、电容C5、电阻R11组成。

极性判别部分由集成电路IC、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成。

极性指示部分由发光管L1、光电耦合器P1、光电耦合器P3、电阻R5、电容C3、电阻R7、发光管L2、光电耦合器P2、光电耦合器P4、电阻R6、电容C4、电阻R8组成。

电源控制部分由电池B、开关SW、电容C2、电阻R9、电容C1、电阻R10组成。

2.3 电路元件选择及参数配置

二极管 D1，D2：1N4007；电容C5：100 nF，10 V；电阻R11：68 kΩ，0.25 W。

集成电路IC：LM393P；电阻R1，R2：10 kΩ，0.25 W；电阻R3，R4：100 Ω，0.25 W。

发光管L1：绿色，1.8 V，Φ3；发光管L2：红色，1.8 V，Φ3；光电耦合器P1，P2，P3，P4：TLP521；电阻R5，R6：2 kΩ，1W；电容C3，C4：1 nF，10 V；电阻R7，R8：100 kΩ，0.25 W。

电容C2：1 μF，35 V；电阻R9：200 Ω，0.25 W；电容C1：1 mF，35 V；电阻R10：2 Ω，1 W。

电池B：9 V叠层电池。

开关SW：2 A，50 V，具有2组切换接点，自复位，共3个位置。当开关位置为0时，2组切换接点中的公共接点与各自的常闭接点接通；当开关位置为1时，第1组切换接点中的公共接点与其常开接点接通，同时第2组切换接点状态保持不变；当开关位置为2时，2组切换接点中的公共接点都与各自的常开接点接通。

2.4 电路工作原理

图1 通用极性测试电路

将接线端子CN上的P1，P2，S1，S2和待测电流互感器对应端子连接。将开关SW由位置0接至位置1，以集成电路IC为核心的电路得电。这时端子S1，S2间电压为0，依据电阻R1，R2，R3，R4的3点分压值，集成电路IC内2个电压比较器是同相输入端电位都高于反向输入端电位，2个电压比较器都输出高电位，发光管L1、发光管L2都处于熄灭状态。

将开关SW由位置1快速接至位置2的瞬间，电容C1通过电阻R10和互感器一次线圈放电，互感器二次线圈感应电压经二极管D1和D2限幅、电容C5滤波后加载到集成电路IC内2个电压比较器的输入端；如果此时端子S1电位高于电阻R1和电阻R3连接点电位，则集成电路IC脚①输出低电位，发光管L1点亮并发出绿光，同时光电耦合器P3对发光管L1自保持，光电耦合器P1对发光管L2闭锁，这就说明待测互感器极性标注正确。如果在将开关SW由位置1快速接至位置2的瞬间，端子S1电位低于电阻R4和电阻R2连接点电位，则集成电路IC脚⑦输出低电位，发光管L2点亮并发出红光，同时光电耦合器P4对发光管L2自保持，光电耦合器P2对发光管L1闭锁，这就说明待测互感器极性标注有误。

极性测试结束，开关SW自复位至位置0，发光管L1、发光管L2自保持及相互闭锁解除，电池B经过电阻R9、开关SW第2组切换接点中常闭接点对电容C1充电，为下一次极性测试做准备。为了让电容C1充满电，极性测试间隔时间应不小于5 s。

2.5 技术性能

以集成电路IC(LM393P)为例，其电压比较器差模输入电阻为MΩ级，输入偏置电流为nA级，2个输入端压差在mV级，则输出端就能翻转。采用电压比较器可以大大提升极性判别灵敏度，其灵敏度可以轻易高出直流法1个数量级以上。使用9 V叠层电池，可以测试变比大于10 000/1的电流互感器，即可对当前以及未来电力系统中所有变比的互感器进行极性测试。

2.6 技术细节

2.6.1 二极管

二极管D1，D2应采用硅二极管，不能采用锗二极管。在反向电阻和正向导通前，锗二极管电阻比硅二极管电阻小得多，会严重拉低极性判别的灵敏度。

2.6.2 电容

电容C5用来抑制外部感应电压干扰，其容量应不小于100 nF。容量越大，则抗扰能力越强；但极性判别灵敏度会降低。

在测试变压器、电压互感器时，电容C1可能会出现反向充电现象。二极管D3用来保护电容C1，将其反向充电电压限制在0.7 V以下。

2.6.3 电阻

电阻R1，R2，R3，R4用来设定集成电路 IC内2个电压比较器的偏置电压，保证在任何情况下输入端电压不会超出允许范围。同时，电阻R3，R4还用来设定2个电压比较器的判别电压。判别电压越接近，则偏置电压极性测试灵敏度越高，但抗外部干扰能力下降。

2.6.4 集成电路

集成电路IC一般可以采用任意型号的双电压比较器。考虑到低温作业环境，可以采用低温性能更好的LM293P或LM193P。电压比较器差分电压放大倍数很高，为了消除有害耦合引发的自激振荡，电容C2应尽量靠近集成电路IC供电引脚。

如果接线端子CN上S1，S2与待测互感器间导线没有连接好，集成电路IC上电后发光管L2会被错误点亮，电阻R11可用来消除这种现象。实验发现，电阻R11不应大于100 kΩ。同时，电阻R11还为电容C5提供放电通道。

集成电路IC工作电压范围为2—36 V。上电时，其脚⑧电压在升至2 V的过程中，电压比较器输出状态不稳定。发光管L1、光电耦合器P1，P3串联支路与发光管L2、光电耦合器P2，P4串联支路的工作电压在4 V以上，上电时电压比较器输出状态不稳定的问题就被屏蔽掉了。

这种电路工作电压范围很宽，可达6—36 V，电池B电量可以得到充分利用。随着工作电压的提高，电容C1放电电流加大，同时判别电压与偏置电压的差值也被拉大，极性判别灵敏度变化并不大。由于判别电压与偏置电压之差被拉大，电路抵抗外部干扰能力会大大提高。

只要PCB板布局合理，这种电路全部元件可以装入1只香烟盒大小的壳体中，携带、使用会非常方便。

2.6.5 光电耦合器

光电耦合器P3，P4输出端存在分布电容及暗阻，分布电容及暗阻可能会造成发光管L1、发光管L2误触发。电容C3、电阻R7及电容C4、电阻R8用来消除这种可能。电容C3，C4容量不应大于10 nF，否则会拉长极性判别时间，拉低极性判别灵敏度。

2.6.6 开关

开关SW优先选用自复位三位置开关。选材存在困难时，也可以用2只自复位开关代替，只是在测试时略有不便。采用自复位开关的好处是：只在测试时接通电源，电池寿命将会延长。如果不采用自复位开关，测试结束后若忘记关闭电源，则会造成电池电量浪费。

2.6.7 电池

当电池B电压低于6 V时，发光管L1、发光管L2亮度微弱。需要注意的是，电池B电压低于6 V时，由于发光管L1、发光管L2支路自保持与闭锁能力下降，极性测定结果将失准。事实上，当9 V叠层电池的端电压低于7.2 V时，就应该更换。

2.6.8 极性

极性测试时，电容C1放电电流较大，为减小开关SW接触电阻，从位置1按至位置2时要迅速果断，在位置2停留时间不小于2 s。测试时，为了减小外部感应电压干扰，人体不应碰触测试线。在测试变压器、电压互感器时，接线端子CN上P1，P2应和变压器、电压互感器低压侧线圈连接，接线端子CN上S1，S2应和变压器、电压互感器高压侧线圈连接。