标准电流互感器快速接线与检定系统研究

2020-06-22罗丹青顾婷婷黄开来李佳莹

机械工程与自动化 2020年3期

杨娴,罗丹青,顾婷婷,黄开来，邢菁，李佳莹

(海南电网有限责任公司电能计量中心，海南海口 570100)

0 引言

用作标准器的电流互感器是我国计量法规定的强制检定的计量器具，根据国家计量检定规程JJG313—2010《测量用电流互感器》的规定[1]：0.05(S)级～0.01(S)级标准电流互感器每两年检定一次，且每个变比都必须检定。标准电流互感器在检定中经常会遇到如下问题：① 0.05(S)级～0.01(S)级标准电流互感器变比多，相应一次绕组和二次绕组抽头多，每个变比都需换接一次线和二次线，不同变比换线频繁，工作人员劳动强度大，检定时间长；② 由于不同互感器一次线和二次线须对应相应变比接线，经常发生接线错误和导线接触不良的情况，影响测试效率和测试准确性；③ 不同变比接线不同，人工换线导致检定状态不同，影响互感器整体测试的一致性和稳定性。鉴于标准电流互感器检定时存在检定时间长、检定效率低、工作人员劳动强度大的问题，以及由于互感器检定时频繁改接线带来的影响测试准确性和稳定性的弊端，有必要研究一种标准电流互感器快速接线与检定系统，以缩短检定时间，提高检定效率，保证检定的准确性和稳定性。

1 标准电流互感器快速接线与检定系统设计

1.1 标准电流互感器检定原理[2]

0.05(S)级～0.01(S)级标准电流互感器检定系统由电源调节器、大电流发生器、0.002级双级电流互感器、电流负荷箱误差测量装置及系统软件组成，检定线路如图1所示。

图1中，T1为电源调节器；T2为大电流发生器；Z为电流负荷箱；HE为互感器校验仪；CT0为0.002级双级电流互感器，用作检定标准电流互感器的溯源标准器，其额定一次电流为5 A～5 000 A，二次电流为5 A和1 A；L1、L2为一次比例绕组接线端子，b1、b2为一次补偿绕组接线端子，其中L1、b1为极性端；K1、K2为二次比例绕组接线端子，B1、B2为二次补偿绕组接线端子，其中K1、B1为极性端；CTx为试品，即0.05(S)级～0.01(S)级标准电流互感器；L1′、L2′为一次绕组接线端子，K1′、K2′为二次绕组接线端子，其中L1′、K1′为极性端。

图1 双级电流互感器检定电流互感器线路

如图1所示，一次回路接线为：标准器和试品一次极性端对顶连接，一次极性端通过一次补偿绕组间接接地，一次非极性端分别接大电流发生器电流输出端两端；标准器和试品二次极性端对顶连接，同时接互感器校验仪的差流回路K端，标准器二次非极性端接互感器校验仪T0端，试品二次非极性端经电流负荷箱后接互感器校验仪Tx端。标准电流输入校验仪的T0、Tx端形成标准电流回路，差值电流输入校验仪的K、D端形成差流回路，通过校验仪测得试品相对于标准器的比值差和相位差。

1.2 标准电流互感器快速接线与检定系统整体设计

图1所示检定线路是检定标准电流互感器单个变比线路图，要实现标准电流互感器全变比和全量程下快速接线与检定，需解决以下三个方面的问题：①试品参数，特别是变比信息的快速录入；②标准器和试品一次回路、二次回路自动切换；③试品各变比自动检定。

1.2.1 试品参数变比信息的快速录入

试品电流互感器的信息一般包括：电流互感器型号、额定一次电流、额定二次电流、准确度等级、额定/下限负荷、产品编号及生产厂家等信息，变比信息为一次接线和二次接线信息。变比信息录入有三种方法：①试品铭牌整体拷贝，即将被试电流互感器铭牌信息整体抄录，存入数据库；②工业相机摄录，即用工业相机将互感器铭牌信息录入，由影像信息转换为数字信息，获取其中的变比信息；③条形码或二维码扫描录入，即通过扫描表征互感器身份信息的二维码或条形码来获取其中的变比信息。本系统支持以上三种方法的变比信息录入。

1.2.2 标准器和试品一次、二次回路自动切换装置设计

标准电流互感器快速接线与检定系统设计了标准器和试品一次回路自动切换装置和二次回路自动切换装置，以实现标准电流互感器全变比和全量程下快速接线。标准器和试品一次回路自动切换装置将标准器一次绕组极性端通过大电流导线与试品一次绕组极性端对顶连接，标准器一次绕组非极性端各抽头通过大功率继电器J1～J8连接至一次侧公共回路COM0端，试品一次绕组非极性端各抽头通过大功率继电器J1～Jn连接至一次侧公共回路COM1端，COM0和COM1端分别接大电流发生器电流输出端。鉴于试品互感器一次绕组抽头未知，系统设置的试品一次接线端子有：穿心1匝、2匝、3匝、4匝和非穿心接线端L1、L2、…、Ln。同理，标准器和试品二次回路自动切换装置将二次绕组极性端对顶连接，二次侧其余绕组非极性端抽头通过低阻抗继电器连接至二次侧公共回路。通过继电器切换从而实现标准器和试品一次回路和二次回路自动连接。检定时，试品一次、二次回路自动切换装置根据系统设定的变比信息控制相应继电器的闭锁动作，实现试品一次绕组抽头和二次绕组抽头自动连接，然后标准器一次、二次回路自动切换装置根据试品变比信息控制对应继电器的闭锁动作，实现一次绕组抽头和二次绕组抽头自动切换，从而完成检定线路一次回路和二次回路的自动连接。标准器和试品一次、二次回路自动切换装置原理如图2所示。

图2中，CT0为0.002级双级电流互感器，La、Lb为一次侧穿心1匝绕组抽头，L1～L8为一次侧非穿心比例绕组抽头，b1～b8为一次补偿绕组抽头，K1～K6为二次侧比例绕组抽头，B1～B6为二次补偿绕组抽头，J1～J8和Jb2～Jb8为切换一次绕组抽头的大功率继电器，JK2～JK6和JB2～JB5为切换二次绕组抽头的低阻抗继电器，T2为CT0自带大电流发生器，CTx为试品，La′、Lb′为一次侧穿心1匝、2匝、3匝、4匝绕组抽头，L1′～Ln′(n=10)为一次侧非穿心绕组抽头，K1′～Km′(m=16)为二次绕组抽头，J1′～Jn′为切换一次绕组抽头的大功率继电器，JK2′～JKm′为切换二次绕组抽头的低阻抗继电器，T2′为CTx自带大电流发生器，J0为切换內源和外源的大功率继电器，Z为电流负荷箱，HE为互感器校验仪。

图2 标准器和试品一次、二次回路自动切换装置原理

1.2.3 全自动标准电流互感器快速检定系统

全自动标准电流互感器快速检定系统由互感器检定与控制系统软件、程控互感器校验台和辅助接线台三部分组成。检定接线时无须对应铭牌、核对变比，只需将试品一次接线端和二次接线端对应连接到辅助接线台的接线面板即可，一次接线和二次接线一次性完成。检定时，装置根据试品变比信息控制相应的继电器闭锁，自动切换标准器和试品各变比绕组抽头，完成一次回路和二次回路接线，全程由上位机控制，实现标准电流互感器全变比和全量程下快速接线与顺序自动检定。电流互感器全自动检定系统组成框图如图3所示，系统支持任意变比电流互感器一次和二次扩展接线，只要是标准器有的电流比都可对应接线。

图3 电流互感器全自动检定系统组成框图

2 标准器和试品一次回路阻抗优化措施

标准器和试品一次回路自动切换装置实现了标准器和试品全变比下一次回路和二次回路绕组抽头自动切换，解决了标准电流互感器检定时一次、二次频繁换线的问题，但是对于标准器和试品的各变比一次大电流回路需切换相应绕组抽头，并接入一次公共回路COM0和COM1，这样对于互感器大变比档位的检定无形中加大了一次回路阻抗，特别是大变比档位一次绕组穿心1匝时，一次回路长度增大为单变比情况大电流下的1.5～2倍，相应的电源调节器和大电流发生器容量增大为单变比时的1.5～2倍[3-5]。一次回路连接导体组成有单根大电流铜排和多根电流软铜导线两种方式，为了尽量减小系统容量，本系统进行了不同数目的穿心导线下一次回路阻抗试验，试验线路如图4所示。

图4中，T2为大电流发生器，一匝输出为5 000 A，CT0、CTx为标准器和试品，电流比为5 000/5 A，PT为电压采样互感器，HE为互感器校验仪。

由于一次回路在大电流情况下阻抗值为毫欧，测量困难，试验模拟了标准器和试品一次回路自动切换装置一次回路实际长度，采用实测大电流发生器输入回路阻抗，再折算至一次大电流回路阻抗的方法来实现一次回路阻抗测量。采用互感器校验仪测大电流发生器输入电压与电流的比值，直读读出阻抗值。由于环形铁芯大电流发生器及标准器和试品铁芯的励磁电流很小，可以近似认为输入阻抗为线性的[6]。大电流发生器输入阻抗和容量如表1所示。

图4 大电流发生器输入回路阻抗测试线路

表1 大电流发生器输入阻抗和容量

表1中，R为折算至1匝的阻抗的电阻值，X为折算至1匝的阻抗的感抗值，P为一次回路电流在5 000 A时的有功功率，Q为一次回路电流在5 000 A时的无功功率，S为视在功率。

由表1可以看出，随着穿心导线数目的增加，电阻R和感抗X成反比减小，但是当穿心导线数目增至8根即基本上均匀分布后，感抗就减小不多了，同时一次回路消耗的功率由穿心导线数目为1根时的13.3 kVA减小为穿心导线数目为8根时的2.3 kVA，容量减小的效果显著。为此，本系统对于一次电流为 5 000 A的穿心绕组采用8根大电流导线并联穿心的方法，并配合电容无功补偿来减小标准器和试品一次回路阻抗，无需加大电源调节器容量。