一种电流互感器极性验证装置设计

向磊，袁焕炯

（1.超高压输电公司广州局，广东广州，510000；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东广州，510000）

1 电流互感器极性原理

互感器是电力系统一二次之间的桥梁，它利用电磁感应原理，将一次高电压、电流转换成二次低电压、电流，并起到隔离效果。与电压互感器不同的是，电流互感器的一二次端口具有极性参数的区别。电流互感器极性的正确接入与否是保证电流互感器正常运行的关键之一[1]。

电流互感器的极性是指一次电流从同名端流入，二次电流从同名端流出。如图1 所示，电流互感器—次绕组的端子为P1 和P2，二次绕组的接线端为S1 和S2，其中P1 和S1、P2 和S2 称为同名端。一次电流从P1 端流入电流互感器时在磁心左侧产生的感应磁场，二次测电流从S1 流出，经过外部设备流入S2 端，一次线圈和二次线圈产生相反的磁场，因此称为减极性接法。除了有特殊要求，电网使用的电流互感器都采用减极性接法。

2 电流互感器极性接反的危害

电流互感器的极性接反，最直接的结果是二次电流的相位与一次电流相反，由此一来将引发以下几种不同后果：

■2.1 保护误动和拒动

如果用在继电保护电路中，尤其是差动保护电路中的电流互感器极性接反，导致引进继电保护装置的电流误差，极性反接的一相电流相位相反，差动保护互感器二次侧电流由原本的0 升高到2 倍感应电流，直接导致差动保护跳闸。电流互感器的极性反接，可能导致继电保护装置的误动和拒动，继而可能影响到电力系统的运行控制和事故处理，严重时会危及设备及工作人员人身安全，造成重大事故和损失。

■2.2 引起计量和测量错误

如果用在电力计量的电流互感器极性接反，将会使各种仪器、仪表的指示错误和电能计量错误。如采用不完全星形联结的电流互感器，若任意一相极性接反，都会导致计量中未接电流互感器的一相较其它相电流增高倍[2]，而一次实际电流并非如此。

采用不完全星形联接的电流互感器中，若两相均接反，在正常情况下二次侧三相电流仍然能保持平衡，但接有电流互感器相电流相位与实际相位相差180°，从而将使电能计量表反转。因此，对电流互感器极性接入正确与否是一项非常重要的工作。在电流互感器新安装的、回路大修前后以及当运行中出线保护误动、仪表指示异常、电度表反转时要进行极性检查[3]。

■2.3 事故案例

案例一：某35kV 变电站的主变压器差动保护跳闸亭故，通过现场保护特性试验、绝缘检查、二次回路电流测量，经过分析事故原因是由于保护装置内部差动保护用电流互感器高压侧极性接反，当不平衡负荷过大时，不平衡电流变大，差动电流超出整定值。事故造成了2 号主变差动保护跳闸[4]。

案例二：2009 年9 月27 日，某35kV 变电站一10kV出线近一个月来用电计量大量减少，经调查发现，此出线于该年8 月25 日更换电流互感器时，二次侧C 相极性接反，将电流互感器极性正确接回后计量正常运转[5]。

3 电流互感器极性的验证方法

目前位置,市场上鲜有电流互感器CT 机型的验证专用设备，现有常用的电流互感器极性验证方法为直流法，其原理如图2 所示，在电流互感器一次侧接入一个直流电源V1 和开关K，其中直流电源的正极接入电流互感器一次侧的P1 端，负极接入P2 端，电流互感器二次侧接入一个电流指示表，电流指示表的正端接入S1 端，负端接入S2 端。当开关K 闭合，直流电源接入电流互感器一次侧的瞬间，由于线圈呈感性负载，一次侧线圈产生一个缓慢增加直到平稳的电流I1，经过磁心和线圈后，在二次侧产生一个缓慢升高至平稳的电流I2，当电流互感器为减极性时，I2 的方向由S2 极流出，S2 极流入，反之则为加极性[6]。

图2 电流互感器极性验证方法原理

验证步骤如下：闭合开关K 并保持一段时间；如果电流指示表指针正偏后归复，则证明电流互感器为减极性，反之则为加极性。重复上次书步骤，多次验证得出结论。

直流法是测量电流互感器极性常用的方法，可以不对电流互感器回路进行解线即可验证。但直流法有以下不足：（1）需要两人以上配合验证，直流法的一次回路接入电源位置和二次回路验证验证位置通常距离比较远，需要一人配合开合开关，一人看电流指示表偏转情况；（2）验证过程中，断开开关时，由于楞次定律会导致电流指示表反偏，容易引起误解；（3）操作步骤比较繁琐，对多个电流互感器（通常一组有三个电流互感器）进行验证时，需要进行多次接线和多次验证。

4 电流互感器极性验证装置的设计

根据直流法的原理以及其缺陷设计一种电流互感器极性验证装置，该装置具备无线控制技术、自动对一组三个电流互感器投入电源，在二次侧自动进行极性验证给出结论的装置。装置主要包含主机和探测器两大部分。

■4.1 主机设计

图3为主机框架图，主机包括无线模块、MCU、直流电源、以及三个可编程接触器K1、K2、K3。其中，无线模块采用ATK-LORA-01 无线窜口模块，最远收发距离达到3km，满足长距离的电流互感器极性验证工作；主机CPU 采用意法半导体的STM32F103 芯片，具有高运算速率，最高可达72MHz 工作频率，低功耗，具有优良的工业控制作用和引用。

图3 主机框架图

主机MCU 通过无线模块获取探测器的命令，根据命令控制直流电源的投入相别。如图3，将设备的D1、D2、D3接入不同相别电流互感器P1 端，如D1 接入A 相电流互感器的P2 端，而COM 则接入中性点。当无线模块收到一个测试A 相电流互感器极性的命令时，MCU 识别该命令，并通过控制接触器K1 闭合，直流电源因此投入A 相电流互感器一次侧。再由探测器探测二次感应电流来判断极性参数。

■4.2 探测器设计

探测器设计矿机如图4 所示，包括显示器、按键、电流传感器、探测器CPU 和无线发射器。其中，无线发射器采用ATK-LORA-01 无线窜口模块；探测器CPU 采用意法半导体的STM32F103 芯片；显示屏采用大彩DC32480M035 电容触摸屏，采用400M SOC 处理器，屏幕运行速度更快，上电即可运行，支持图片、固件的远程控制、增量升级、运行中升级等多种模式，能够满足电流互感器机型验证功能需求。

图4 探测器框架图

探测器CPU 通过按键信号，获取选相、调节电流、验证等命令，可调节测试电流互感器的相别、测试电流等级以及开始测试命令。同时，CPU 通过控制无线模块，给主机发送相应的测试命令，由主机进行电流互感器一次侧电流投入。探测器通过电流传感器获取二次侧感应电流的值和波形，通过值和波形来判断该电流互感器的极性参数。此外，CPU 控制显示器显示测试的相别、测试电流等级、测试的结果以及二次感应电流波形等信息。

电流传感器采用霍尔传感器原理如图5 所示，被测电流穿过磁心，在磁心产生感应磁场，而霍尔元件是对磁敏感元件，对感应磁场产生霍尔电势Uh。Uh 经过运算放器后接入次级线圈，然后通过MCU 调节次级线圈的补偿电流Ib，使得Ib 产生次级磁场，该磁场与初级磁场抵消，直到霍尔电势达到为0 的动态平衡，则Ib 对被测电流Ia 的大小及变化具有非常良好的线性关系。MCU 通过Ib 计算处被测电流Ia 大小及变化情况，从而获得被测电流的大小和方向。

图5 霍尔电流互感器原理图

■4.3 功能实现

如图6 所示，将主机的COM 端接所有被测电流互感器的P2 端；主机的D1、D2、D3 端分别接CT1、CT2、CT3的P1 端。

图6 功能实现原理图

主机部分实现步骤如下：

(1)需要测试CT1 极性时，通过按键对探测器CPU 发送CT1 极性测试命令。

(2)探测器CPU 接收到CT1 极性测试命令后，控制无线发射器发射CT1 极性测试命令的无线信号，无线信号以空气为传播介质，发送到主机。

(3)主机的无线接收器接收到CT1 极性测试命令的无线信号后，将该信号进行编译，再送给主机CPU。

(4)主机CPU 识别了无线接收器传来的CT1 极性测试命令后，控制接触器K1 以50Hz 的频率吸合，使CT1 的一次回路产生脉冲的直流电流Id1；。

(5)脉冲直流电流Id1 经过CT1 变换到二次回路直流电流Id2。

手持器功能实现步骤：

(1)使用电流探测器探测到电流Id2，并将电流Id2 经过AD 转换变成电流信号发送给探测器CPU。

(2)探测器CPU 将收到的电流信号处理分析，得出电流Id2 方向、波形数据和判断电流互感器的极性结果数据。

(3)若Id2 的电流方向喂正、频率为50Hz，则判断电流互感器为减极性，若电流Id2 方向为负，频率为50Hz，则判断电流互感器为加极性。

(4)探测器CPU 判断结果后，将电流Id2 的大小、波形数据以及判断结果发送给显示器进行显示。

(5)显示器通过电流方向显示、波形显示和结果显示，告知测试人员测试的结果，测试完成。

本文设计的电流互感器极性验证装置具备远距离控制功能，只需一个人便能操作，能够一次性接线测试3 个以下的CT 极性，提高了极性验证工作的效率，通过电流及波形来判断，提高了极性验证的准确率。本设计能够有效验证CT 极性参数，并且操作简单，原理清晰，对操作人员要求低，解决了电流互感器极性验证缺少专用设备、传统方法效率低、容易误判等缺点。

5 结语

电流互感器是电站的重要设备之一，给是电网继电保护、计量等设备正常运行的基础。在电流互感器新安装、维修、接线后，投入运行之前，必须对电流互感器极性进行校验，确保其极性正确后才能投入使用。本文简要介绍了电流互感器极性的原理、电流互感器极性接反的危害以及电流互感器极性的验证方法。结合传统的电流互感器极性验证方法，设计了一种能够远程配合工作的电流互感器极性验证装置，该装置较传统的直流法来说，简化了操作步骤，减少了人员需求，增加了验证的准确性，在电流互感器极性验证上具有广泛的应用范围。