手持式二次回路测试装置在现场应用与研发

秦先坤 张文鹏 罗义晖

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局 广西柳州 545000）

电力企业在与用户确定电量交易的过程中，必须使用电能计量装置，对于该种装置来说，其稳定性、准确性等均可对电能的公平交易产生直接影响。在电能计量的过程当中，设备在制造过程中所使用的元器件及设备在使用过程中所处的环境条件，直接决定了互感器与电能表的误差值，一旦设备安装成功后，这个值就会变成固定不变的量。电力系统一次设备具有较高电流值，同时电压值也较高，直接测量电流的风险较高。为便于保护、测量和控制，需将一次电流转变为二次电流。电流互感器是属于变压器的一种，起到了隔离电气和变换电流的作用，可将一次电流有效转换为二次电流[1]。但是在实际应用电流互感器时，一旦其发生二次开路，就会导致保护拒动和误动等事故，进而对电网稳定运行产生威胁。二次回路是连接电能表与互感器的重要回路，基于二次回路的重要性，电力系统对新投运的电流互感器具有较为细致的检验流程，如极性检验、一次升流检验和伏安特性检验等，但是对一些停电时间较短的工作来说，需变动电流互感器二次回路，常不具备完整条件以供使用，这就导致二次开路风险产生。因此，研制手持式二次回路测试装置，以实现二次回路计量装置的整体校验，达到有效评估二次回路装置的计量性能、减轻工作强度等，显得尤为迫切[2]。

一、手持式二次回路测试装置的特性和试验方法

（一）手持式二次回路测试装置的特性

对于现有的二次回路测试装置，要么其体积较大，不方便进行携带，要么其接线较为复杂，而且在电站现场对并联电容器组中的单个电容器电容值进行测量期间，需要先进行拆线，才可以进行测量，要想实现手持端测量数值，必须要获取同步的电压相量和电流相量，而现有的电流电感测试仪中的手持端、主机端间需要应用连接线，才可以实现数据的精确、同步，在应用不当后，会引发线路老化，对应用带来影响，而且若线路较长，就很不方便进行各项操作，也会使得测量具有一定的局限性。在具体的应用中，二次回路测试装置具有较高的事故率，这是因为二次回路测试装置工作状态的特点所决定的。因此，定时对二次回路进行检测，尽早发现其各类缺陷，防止该类缺陷有所扩大是十分有必要的。接线端子较为多样，插接试验线较易引发试验线脱落。万用表仅可以读取出有效值，所以，其无法区别单相交流电压，在系统送电期间，只要交流回路发生短路，就较易引发保护误动作。极性测试无法三相同时进行，测试的结果无法应用媒体文件的形式进行同步记录。现有的二次回路测试装置无法参照自己的温度进行散热。另外，对于在定值巡检中所发现的一些异常信号，更是需要运行人员具备一定的经验、专业能力，才能够及时发现、排查更多的问题。所以，依靠人工开展巡检工作，存在效率较低、工作总量较大、及时性较差、准确性较低等方面的问题，也极有可能会出现漏记、漏判等现象，给设备的运行留下许多隐患。而伴随着电网规模的逐步扩大，使得继电保护在运行中需要巡检的数据总量也是与日俱增，运行人员的工作总量有所增多。

对于电能计量装置来说，其误差包括四个方面，即二次电压降误差、CT误差、PT误差和电能表误差，各个设备的误差检查均需在子项中执行，进而对设备性能和状态进行评估。由于互感器误差通常采取离线监测方式，在计量装置投运之前就能够得到现场的误差数据，但是回路的二次降压及电能表现场误差等，常常无法直接测量。

电流互感器的工作原理就是电磁感应原理，一次匝数较小，且经流的一次电流值恒定，而二次匝数较多，工作状态近似于短路，二次电流计算见公式（1）。

由于在铁芯中，一次绕组的I1N1和二次绕组的I2N1所感生的磁链相互抵消，使得铁芯处于非饱和的工作状态，在该种情况下，电流互感器就保持着线性转变特性，且与理想变压器的效果一致。若其二次侧开路，该种情况下一次绕组的I1N1就保持不变状态，而二次侧的I2N1=0，在铁芯中一次侧磁链完全融入，而在一次电流较大的情况下，铁芯处于完全饱和的状态，而在电流互感器中饱和磁链的二次侧就能够感应出较高的二次电压，其理论有效值计算见公式（2）。

在上式中，K为铁芯特性系数，Ac为磁路有效截面积，Lc为磁路平均场地，I1为一次电流有效值，N1、N2为一次侧、二次侧匝数。由此可见，电流互感器的二次侧开路电压与二次绕组匝数、铁芯饱和极限及一次电流大小成正相关关系，而在实际应用的过程中，部分电流互感器的二次绕组开路电压可达到上万伏。

在铁芯处于饱和状态时，其磁滞回曲线在一个周期内可包围更大面积，与一次循环磁化中的能量损耗成正比关系，以上能量损耗包括涡流损耗和磁滞损耗。因此，铁芯在饱和状态下会出现发热情况，进而损坏电流互感器[3]。

（二）手持式二次回路测试装置的测试方法

对于手持式二次回路测试装置来说，其综合误差共分为两类，即带点测试和离线测试。三相四线制二次回路带电测试原理图见图1。在带电情况下，电能质量测试和电能表误差，均可使用室内机装配，并放置于被检表附近。三相电压可直接接于被检表的电压端，室内机的内部则采用精密电阻分压法进行测量[4-6]。三相电流可从被检表的电流测试线上进行获取，设备选用高精度的电磁式电流互感器，三相电流、电压信号等均可经过调理电路进入到转换器中，在电路被逻辑时序控制的情况下，3路电流和电压信息均可实现动态采集，并将其传送至DSP进行相应处理。此外，被检表的电能脉冲可通过脉冲测试线或光电采样器等进行采集，并将其传送至室内机，室内机内部的误差比较器就会对这些数据进行分析和处理，进而在带电状态下获得电能表误差值。

图1 二次回路带电状态检测示意图

二、手持式二次回路测试装置的研发

为实现带电状态下或停电状态下电能表的误差测试、PT二次负荷测试及PT二次压降测试及二次回路测试等功能，设计并研发出一种手持式二次回路测试装置，由计量二次回路综合测试装置室内机、计量二次回路综合测试装置测试仪和计量二次回路综合测试装置室外机等组成。

（一）二次回路综合测试装置测试仪

计量二次回路综合测试装置测试仪系统主要包括按键输入、液晶显示、USB接口、功率放大、无线通讯和室外机模块等组成，充分利用DSP的快速浮点数计算能力，可对六路信号的各周期波形数据进行实时计算，并准确得出计算结果，确保失真控制在0.05%内。其中FPGA的PLL依据频率参数生成紧密时钟信号，以对六路数模转换器进行同步处理，进而输出稳定的正弦波形频率。对于以往所使用的传统电压电流源来说，其采用的组合方式包括数字信号处理器、线性电源、D/A转换器、电压电流互感器和线性功放等组件，存在着故障率高、体积笨重、制作成本高、不易携带和测量效率低下等缺陷[7-8]。在本次研发的手持式二次回路测试装置中，将传统线性电源、线性功放和电压电流互感器舍弃，并替换为开关电源、数字功率放大器和低通滤波器等，装置更易携带，且体积较小。

（二）二次回路测试系统

二次回路测试装置的PT二次压降测试硬件原理图见图2。在带电情况下，PT二次压降测试时，常使用室内机装备至被检表附近，PT端子附近则装配室外机。室外机负责对PT二次回路始端电压幅值进行采集，同时采集被测电压，将其作为同步基准时间，再将所采集到的同步基准时间、电压幅值等通过高频载波传输方式，以高频载波的形式经由二次回路电缆线传输至室内机[9]。室内机则负责对PT二次回路末端的电压幅值进行采集，并结合二次回路载波所接收的电压幅值和同步基准时间，对二次回路的压降进行计算，同时将计算结果通过载波传输的方式传输至室外机，再由室外机进行显示。室外机可对就近的二次电流信号进行采集，再利用电压放线车对电压端子箱内的电压信号进行采集，以解决实际使用过程中所出现的CT-PT端子箱距离较远问题。

图2 PT二次压降测试硬件原理图

三、对手持式二次回路测试装置的技术要求

在所有变动过电流互感器二次回路的工作后，必须对二次回路进行测试和检查，测试地点一般选在高压场地，要求测试设备具备足够的便携性，且装置工作电源需采用电池。测量装置在工作状态下，相当于在二次负载的基础上加入了一个电流，因此在通常情况下，不能够用于直接对未停用保护设备的二次绕组进行测量[10]。为避免操作人员误判绕组，导致将测试电流加入到运行设备而产生保护误动情况，要求手持式二次回路测试装置的测量电流必须小于最小保护启动电流值，而二次测试的最大电流必须＜80mA。在不同频率下对阻抗进行测量所得值不同，为确保测试结果的准确性，要求测量阻抗必须基于工频50Hz。

四、结束语

对电力系统进行控制和保护，必须重视电流采集和测量工作，而电流互感器就是采集和测试电流的一个重要装置。依据以往的运行经验可知，电流互感器一旦出现开路就会出现设备损坏、保护拒动等事故，属于高危因素之一。现有技术手段如万用表测量、外观检查等均无法对电流互感器的二次回路完整性进行快速、精确检测，即便应用继保仪也无法对二次通流进行有效检测。在分析电流互感器的工作原理和组成结构基础上，可利用其特殊性，设计并研发一种手持式二次回路测试装置，在实际应用过程中，不仅能避免开路事故发生，还能准确判断二次回路的完好性。