智能CT极性测试装置设计

云南电网有限责任公司楚雄供电局 段敬忠 谭振华 太 然 何林润 唐媛媛

随着社会经济的发展，电力用户越来越多，电网结构越来越复杂。为了满足发展的需要，电网不断扩大规模，每年都有大量新建电力工程投运。电流互感器（CT）在电力系统中发挥着高低压隔离、高压量向低压量转换等重要作用。然而，多年的现场运行经验表明，由于CT极性和保护方向错误导致保护误动或拒动的事情屡禁不止，严重影响着电网的安全稳定运行[1]。

在新改扩工程中，对CT二次回路进行一次注流时仅能检验电流二次回路的状态，不能同步开展极性测试。传统的“点极性”暂态测试方法，存在电流表指针偏转幅度小、暂态过程时间短、分辨特征不明显的问题。此外，当多次极性测定时，接线任务烦琐，动用人力资源较大，作业周期长，且受限于现场作业人员的业务技术水平和责任心，人工“点极性”的测试方法很容易出错。

本文设计一种智能CT极性测试装置，利用电容在CT一次注流时，一次和二次电流的相似度检测二次绕组的变比和极性，不仅操作方便，降低了现场工作量，还能够提高CT极性测试的正确率。

1 CT极性测试原理

选择CT极性前，要先确定CT的参考方向。对于CT的方向可以有两种考虑，一种出于对差动保护的考虑，其不需要具体判别电流到底是流入还是流出，而出于基尔霍夫原理只要求求取矢量和，因此只要所有的CT所定义的方向，均指向被保护设备方向或是全部与之相反即可，通常应用于线路的差动保护、主变的差动保护、母线差动保护等；另一种则是出于负荷电流方向的考虑，其需要确切的电流流向，与电压相结合，才能确切地指出功率方向，表现出电流的具体流向，如零序方向保护、距离保护等。在实际工程应用中，同一个CT的不同的二次绕组用途不一样，存在极性截然相反的要求，即有些绕组需要减极性，有些绕组需要增极性。

1.1 电容放电

本文使用在CT一次侧加低压电容，二次侧检测电流的方法来判断极性。电路模型如图1所示，C为充满电的低压电容，L为电流互感器漏电感，T为变比为1：n理想变压器，RL为二次侧电阻负荷。

图1 电路模型

图2 智能CT测试装置功能框图

从图1中可以看出，电流互感器一次侧等效为RLC串联电路，根据KVL得到一次侧电路方程1：

式中：R为二次侧等效电阻，电容初始电压为E。令时间常数τ=R/2L，角频率，RLC的取决于实际电路值，于是等到一次侧电流：1/LC-R2/4L2=0时，。电流以时间常数τ=R/2L呈指数形式衰减；1/LC-R2/4L2＜0时，，其中。由此可见，此时的电流也是呈指数形式快速衰减；1/LCR2/4L2＞0时，，此时电流呈正弦震荡衰减。

1.2 极性判断原理

CT一次侧加低压电容后，其电流为变化的电流，可以线性传导到二次侧。通过比较一次侧电流与二次侧的电流的大小与方向就可以判断出CT的极性。

电流互感器由于漏电感与感应电流存在，一二次的电流存在相角与幅值误差。公式（2）仅在理想的情况下存在。从上述的分析可以知道，同极性时电流互感器的两侧波形相似，反之波形相反。在电容开始放电后，在一段时间内单片机采集一次、二次的电流，于是得到公式（3）：

分析公式（3），ER1代表一定周期内，单片机采集到的一次侧电流与n（二次侧线圈匝数与一次侧线圈匝数的比值）倍的二次侧电流的差值的平方的累计值；ER2代表此周期内，单片机采集到的一次侧电流与n倍的二次侧电流之和的平方的累计值。当一次电流与二次电流波形相同时，其电流方向一致，即iL与iR同向，则有ER1/ER2小于1；反之，一次电流与二次电流波形相反时，电流方向相反，即iL与iR反向，则有ER1/ER2大于1。

令ρ=ER1/ER2，将其定义为极性波形相似系数，即可得到极性判据：当ρ＜1，一次电流与二次电流波形相同即同极性；当ρ＞1，一次电流与二次电流波形相反即反极性。

2 智能CT极性测试装置设计

2.1 系统总体设计

智能CT测试装置主要组成部分为：用于人机交互的触屏显示器、逻辑控制与数据运算的单片机系统、蓄电池供电系统、DC/DC变换的电容充电器、电容器、自动切换开关、两路电流采集器等。触屏显示器显示所有单元的采集数据，并将数据分析结果实时显示，人工可通过屏幕界面下达测试命令，控制装置运行与参数设置等。主控单片机系统根据命令控制电容充电器、自动切换开关，并接收电流采集数据，进行数据融合计算，将结果上送到显示器。

该装置考虑工作电源取电不确定因素设计内部锂电池供电，极大地方便现场测试人员。DC/DC变换的电容充电器起到升压的作用，将9V的蓄电池电压提升到36V给电容充电。自动切换开关有三个位置状态，分别是充电、放电、断开，位置由单片机控制。电流采集器采集CT一二次电流，并上送至单片机。

在本设计中，为了安全考虑，电容电压设定在50V以内，容量100UF。电容放电电流相对来说比较小，通常CT变电大于100，经过变换后二次CT二次电流非常小，电流采样回路要求更高。图3为电流采样原理。霍尔传感器是毫安级别闭环反馈式霍尔电流传感器，霍尔传感器检测电流转换成电压值，输入后级电路与直流电压检测电路一致。

图3 电流采样原理

2.2 系统软件设计

智能CT测试装置软件子模块设计包括LVGL界面显示模块、ADC采集模块、开关处理模块、数据融合解算模块等。如图4所示，系统上电后首先对单片机各个外设进行初始化，然后根据程序配置各个模块至初始状态。当人机交互触发CT检测后，单片机控制GPIO输出有效电平切换开关并进行ADC检测，配合DMA外设将大量检测数据快速转运至缓冲区。然后对缓冲区数据进行数字滤波处理与算法解算，得出CT极性，并将运算结果更新于显示触摸屏。

图4 电流采样原理

2.3 系统工作流程

如图5所示，智能CT测试装置工作流程如下，开始检测时，将自动转换开关转至电池侧先对电容充电，待电容充满后自动转换开关转至放电位置进行放电，开始检测。电流采集器采集电容放电在CT两侧产生的电流，将电流信号输入至电流采样电路，经过运放处理输出电压信号，并将采集的电压信号上送至单片机系统。在单片机中，根据采集到的数据，进行程序运算，计算极性波形相似系数，得到CT极性，然后输出结果至显示屏。

图5 智能CT测试装置工作流程

3 实际应用

针对主流CT极性测试的流程进行归纳总结，对测试过程中存在的问题，特别是作业风险点进行分析，创新设计出基于电容放电模型的智能CT测试装置。解决了以往须多人配合以及工作效率低的情况，并且从根源杜绝了CT极性测试遇到的防触电、免登高风险点问题。该装置考虑现场工作电源取电困难或其他不确定因素，设计内部锂电池供电，携带使用便利，极大提高了现场测试人员工作效率。人机交互界面美观大气，显示简洁，触摸屏操作方便，可快速上手操作测量，可广泛应用于电力系统需进行CT极性检测的场合。

本装置选在某110kV变电站的110kV线路进行CT极性实测，CT的变比为800:1。通过伸缩测试棒将P端测试线搭接在如图6所示位置上。测试装置上一次侧的红线（P1）接CT一次侧（P1）极性端，黑线（P2）接CT一次侧（P2）极性端；测试仪上二次侧的红线（S1）接CT二次侧（S2）极性端，黑线（S2）接CT二次侧（S1）极性端。确认P1、P2、S1、S2接线无误，点击触摸屏幕“使能”按键，此时将弹出“是否设置站名、间隔、线路信息”对话框，点击“是”将弹出键盘对各个参数进行设置，设置完成保存后即可进行测试，按“否”将直接跳转测试。

图6 智能CT测试点

如图7所示，测试结果快速显示。屏幕中心对话框显示测试结果（此时为“反极性+”）、视图动态图表显示测试次数及测试结果“+”或“-”。结果显示连续5次测量均为反极性，与实际CT极性一致，表明装置检测的稳定性与准确性。

图7 测试结果

本文简述了智能CT测试装置组成及应用，并针对智能CT测试装置设计主要做了以下工作：分析了CT一次侧加低压电容，二次侧检测电流的方法来判断极性原理，得出CT一次侧加低压电容，二次侧检测电流的方法可行性的结论；在电容法测极性的基础上，提出来极性波形相似系数的极性判据：当ρ＜1，一次电流与二次电流波形相同即同极性。当ρ＞1，一次电流与二次电流波形相反即反极性；给出了智能CT测试装置主体设计方案并针对性给出了电流采样电路设计、软件基本设计思路，以及装置使用的工作流程；最后通过样机在现场测试验证了装置的在CT极性测试的正确性。