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摘要：变压器套管电流互感器是电力系统的重要组成部分，它广泛应用在继电保护、安稳系统、监控系统、系统故障录波等方面。大容量变压器套管CT安装完成后，一次接线与变压器高压侧套管连接，电抗的增大给调试带来相当大的困难。目前的测试方法由于电池容量不足，电流表显示极其不明显，难以判断极性的正确性。针对套管CT的特殊性展开研究新的试验方法：首先是采用多通道极性测试仪进行极性测试方法。该方法利用电容的放电原理作为极性仪器的输出直流电源，保证输出容量，在电容输出回路串入限流电阻，防止放电电流过大，输出回路，并入反向二极管，防止断开回路时瞬间产生过电压的危害。微安表的量程可调节，可满足不同电流互感器的灵敏度要求，微安表可直观的看到二次绕组感应电流摆动的方向，并且能记录极性的方向，弥补微安表测试的不稳定性。其次是对变压器一次加压升流进行相量测试方法。该方法在变压器某侧三相绕组通过调压器施加电压，其他侧三相绕组短接接地，各侧三相套管及中性点套管CT将产生一次电流，并同时感应到二次侧。在二次侧采用自主研发的电流放大器，配合高精度数字式电流钳表，带负荷测试向量图，通过数据分析不仅可确保极性的正确，还可以确保选用了正确的变比。
关键词：变压器套管电流互感器；CT极性测试；多通道极性测试仪；电流放大器
前言
随着电力系统的不断发展，对电网安全、稳定及经济运行的要求越来越高，而继电保护又是保障电力系统安全稳定运行的重要防线。变压器套管电流互感器是电力系统的重要组成部分，它广泛应用在继电保护、安稳系统、监控系统、系统故障录波等方面。而变压器套管电流互感器的极性又是其重要特性之一，极性试验是设备投入运行前的重要试验项目，极性作为方向性保护的重要依据，其正确与否直接关系到保护的可靠性，也将直接影响着一次设备的安全稳定运行。分析过去几年发生的变压器保护误动或拒动现象，发现其中多起事故是因变压器套管电流互感器的极性错误造成的，而变压器套管电流互感器较普通电流互感器极性出错概率高的主要原因是变压器结构的特殊性。
据了解，在省内的各级电力工程施工总承包商，具有变压器套管CT安装后特性测试技术能力的企业并不多，很多施工企业常采用安装前在地面上完成极性试验，或是套管CT安装后采用传统试验方法，因上述测试方法存在很多缺陷，不是测试方法太繁琐、存在安全风险，就是准确率低、效率低，导致调试存在一定施工质量和进度方面的局限性。因此，在套管CT安装后，如何正确判断套管CT的极性及选用变比的正确性是一项十分重要的工作。
1、套管CT的介绍及原理分析
电力系统电流互感器二次侧的额定电流统一规定为5A或1A。当一次绕组通过电流I1时，铁芯中出现交变主磁通，二次绕组上便感应出电势，在二次绕组和负载构成的闭合回路内产生二次电流I2（如图1），二次电流产生的磁通对一次电流建立的主磁通起去磁作用。
图1电流互感器原理接线图
变压器套管CT是直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器，它的工作原理与常规CT相同。套管CT在安装前，可以按照常规CT的方法在地面上完成变比及极性试验，而在安装后参照套管电流互感器安装前的试验报告及套管的朝向对极性进行判断，二次回路则通过二次升流或核对线芯的方法检验。该试验方法由于安装过程可能将套管电流互感器装反或在拆接线时接错二次回路，容易造成极性错误。
套管CT安装完成后（如图2），套管CT试验必须连同变压器绕组一起进行，由于变压器结构的特殊性，致使电流电压信号减小，试验难度增大。
图2安装在变压器上的套管CT
2、套管CT极性传统测试方法
2.1电磁感应法
用干电池作为电源，将正极接在套管CT的一次侧线圈P1端，负极接变压器中性点端。套管CT的二次侧S1接微安表正极，S2接负极。若按下试验按钮时微安表指针右（正）偏，松开试验按钮时微安表指针负（反）偏，说明套管CT接在干电池正极的端子与接在微安表正极的端子P1、S1为同极性，即套管CT为减极性。反之，若指针与上述描述情况相反则为加极性。测试原理接线如图3，现场测试如图4.
2.2一次加压升流法
将变压器低压侧三相短路，从检修电源箱用电缆引380V交流电压接到高压侧三相，用电流钳表测量二次电流。因为套管CT的所有二次侧线圈都共用一个铁芯，根据电磁感应原理，在其中一组二次侧线圈有电流通过时，在其他闭合的二次侧线圈组中也必能感应出电流。以A相试验电源电压为基准测量三相各个绕组的角度，如果同相绕组角度为270°，并且三相绕组之间角度相差120°，则可以判断极性的正确。用电流钳表测量变压器的一、二次电流，通过计算可判断变比的正确性。测试原理接线如图5，现场测试如图6。
2.3传统试验方法存在的问题与分析
2.3．1电磁感应法
采用电磁感应测试的方法，由于干电池容量小，变压器的各侧电磁感应及各侧电流互感器变比不一致，二次绕组感应电流较小且不统一，串接电流表难以选择，采用灵敏性低的指针表偏转不明显，而采用灵敏性高的指针表则可能因某侧二次绕组感应电流较大超出指针表的量程甚至烧毁电流表。
该试验方法在回路接通瞬间产生很大的冲击电流，而在断开回路瞬间因电感电流不能突变引起断开处产生拉弧，危及调试人员的人身安全。
回路接通时
令t=L／R，当R的单位为Q，L的单位为H时，t的单位为S，t称为L、R串联电路的时间常数，t的大小反映了此电路的过渡过程，t越小过渡过程越快。工程上可以认为换路时间经过3t后，换路过程结束。
可见，在刀闸拉开时，变压器的储能都由并接电阻释放，在断口处会产生很高的电压，并形成拉弧，影响人身安全。
每次试验只能对一个绕组试验，对其他绕组试验时需更换接线，试验效率低，且存在更换接线而导致人为错误。
为避免一次线圈残余电荷对人身安全、仪器及试验结果的影响，每次试验结束后需手动对一次线圈进行放电，试验效率受到影响。
2.3．2一次加压升流法
随着我国建设的高速发展，系统的负荷及短路电流不断增大，变压器的容量及变比亦随之增大，该试验方法受试验电源限制，二次绕组感应电流越来越小，难以对极性的正确性做出判断。
在某侧施加380V电压，其他侧短接产生几十安培甚至更大的短路电流，安全风险大，需设置多个监护人，且需要线径较大的一次导线方可满足载流量的需求，有时需要高空车配合，试验效率低。
当二次电流小于5mA需要测量电流及相角时，对仪器精度要求高，目前可以测试5mA及以下电流的仪器属于高精度仪器，价格昂贵，增加仪器成本。
3、套管CT极性测试新方法研究
由于变压器结构的特点，其一次回路存在较大的电抗，使得套管CT安装后难以采用常规试验方法。为此，针对传统试验方法的弊端进行深入分析，制定改进的措施，然后通过对现有测试方法进行改进，并自主研制新型的测试装置，实现套管CT极性可高效、正确测试的目的。
3.1改进措施
3.1.1针对电磁感应法
电源容量不足：由于电源容量不足，造成二次感应电流小。可采用大容量干电池、大容量蓄电池或直流电源，但随着电源容量的增加，试验过程中断口处电压也随之升高，严重危害试验人员人身安全；随着容量的增加，电源重量也相应增加。针对此问题进行分析研究，最后确定采用大容量电容，利用电容的放电原理，解决因电源容量不足问题，采用大容量锂电池作为电容充电电源。
断口处产生高压：断口处拉弧及产生高压，造成设备及人身安全。可采用大容量接点的中间接触器，由于大容量直流电源作为试验电源，接触器接点在断开瞬间，会产生很大的拉弧，危及人身安全，且接点被强烈弧光逐渐烧黑，造成接触不良，甚至被烧毁。针对此问题进行分析研究，最后确定在一次线圈侧并联反向二极管，电容对电感放电时，二极管截止，当断开瞬间时，二极管进行续流，避免产生高压反电势。
自动释放残余电荷：每次试验结束后，对一次线圈进行放电，防止一次线圈残余电荷对人身、设备安全及试验结果的影响。针对此问题进行分析研究，确定采用自动释放一次线圈残余电荷回路。在一次线圈回路中串接试验动作继电器常开接点，当每次试验结束后继电器接点返回，自动接通接地线，释放线圈的残余电荷。
电流表量程可切换：各变压器或常规CT的电磁感应及电流互感器变比不一致，二次绕组感应电流大小不一样，电流表难以匹配灵敏度。可采用手动切换量程的电流表，但普通电流表量程切换需更换二次接线，操作不方便，工作效率低。针对此问题进行分析研究，确定采用通过拨动开关进行量程切换的高精度电流表，以适应各种不同特性的CT测试。
电流表防过载：试验过程中，采用灵敏性高的指针表可能因二次绕组感应电流较大超出指针表的量程甚至烧毁电流表。针对此问题进行分析研究，通过在电流表输入回路并联正反向二极管，增加防过载功能。如果二次回路输入过大，二极管导通，二次侧输入最大限制在电流表额定工作范围以内，用于保护电流表不被烧毁。
试验结果双显示：在试验过程中，电源合上瞬间与断开瞬间电流表显示会相反，且指针摆动速度过快，有时很难对结果进行判断；而二次电流感应较小时，电流表指针摆动不够力度，有时会出现显示不稳定现象。针对此问题进行分析研究，增加发光二极管保持回路，输入信号同时输送给电流表及保持回路，发光二极管分绿色与红色，结果为减极性时绿灯点亮并保持，结果为加极性时红灯点亮并保持。通过电流表与发光二极管同时判断和指示，有效提高了结果的正确性，同时提高了工作效率。
多绕组同时测试：每次只能单独对一个CT绕组测试，测试速度慢，改线麻烦，工作效率低。针对此问题进行分析研究，极性测试仪器配置多路输入输出通道，可同时对多个绕组进行测试，大大提高了工作效率并有效控制了因频繁更换接线而出错的概率。
3.1.2针对一次加压升流法
二次电流小：因主变容量大，套管CT变比大，在一次侧施加380V电压，二次感应电流很小，不能满足电流钳表测试要求。针对此问题进行分析研究，在二次电流寻找突破口，确定采用电流放大器，对二次感应电流进行无损耗放大，以满足电流钳表的精度要求。
电压高，安全风险大：因主变容量大，在一次侧施加380V电压，产生几十安培的短路电流，安全风险大。针对此问题进行分析研究，在采用电流放大器后可结合电流钳表的精度而适当减小输出电压，在输入回路中串入调压器，通过调压控制输出交流电压在可控范围，确保安全。
3.2多通道极性测试仪的自主研制
针对上述改进措施，对试验仪器及方法进行改进。
3.2.1研究思路
为了克服现有技术中的缺点与不足，设计一种极性测试准确度高、测试效率高、便于携带和使用方便快捷的电流互感器极性测试仪；该测试仪能同时进行多个绕组的极性测试，与传统的测试仪相比，提高准确率，缩短极性测试的时间，从而提高工作测试效率。
为了达到上述目的，本研究通过下述技术方案予以实现：电流互感器极性测试仪，其特征包括：
用于提供电源的电源电路；
至少一组与电流互感器一次线圈电连接的一次回路；
至少一组与电流互感器二次线圈电连接的二次回路；
以及用于采集和处理信息、并显示测试结果的CPU电路；
所述电源电路分别与每组一次回路、每组二次回路和CPU电路电连接；所述每组二次回路分别与CPU电路信号连接；所述一次回路和二次回路的数量相同。
在上述方案中，该测试仪在每组一次回路通入高压直流脉冲电流，将对应每组二次回路感应出的电流经过波形变换后的信号传送至CPU电路，CPU电路根据采集到的信号进行处理，并显示相应的极性测试结果，从而解决传统极性测试方法中容量不足、偏转不明显、接线复杂、效率低等问题，进而提高该测试仪的准确度和测试效率。本发明的一次回路和二次回路的数量相同，在测试仪工作中，每个电流互感器对应一组与其一次线圈电连接的一次回路和一组与其二次线圈电连接的二次回路。测试仪通过上述连接可以实现同时对至少一组以上的变压器套管电流互感器的极性进行测试，形成多通道极性测试仪，极大缩短了极性测试的时间，从而提高工作测试效率。
3.2.2主要技术参数
多通道极性测试仪采用工程塑料一体式机体，采用大容量锂离子电池作为整机电源，极性测试结果采用电流表指示和自保持二极管同时显示，四通道极性测试一次接线一次性完成，可同时测试四个绕组，具有工作效率高、接线简单、体积小、重量轻、使用安全、方便等特点。
（1）供电电源：机内12V可充锂离子电池，电池标称容量：6800mAh；配置220V/DC12.6V1A便携式通用充电器，置于配件箱内。
（2）二次回路设置带框指针式电流表。电流表型号：85C17。
量程：±50μA、±100μA、±500μA，通过面板开关切换，表头标度500μA。
精度：2.5级。指针式电流表设置保护器，防止电流过大损坏电流表。
（3）二次回路设置带保持的极性指示灯，只需要按下试验按钮，即将测试结果用灯光显示并保持，便于记录。保持电流等于或小于10微安。
3.2.3仪器工作原理
电源电路：机内锂离子电池12V电源经电源开关S0控制，送至多组通道一次回路，供电容器充电；经DC/DC隔离，变换成±12V电源，用于给多组二次回路的放大电路和波形变换电路供电，同时还给继电器供电。+12V经U5降至+3.3V，用于给CPU供电；电池电压经电压监测电路监测，当电压低于10.8V时，监测电路输出信号，经光耦隔离，送至CPU。
一次回路：电池经电阻R1给电容C充电，R1规格为5W51Ω，电容C的容量为10000μF，充电时间常数为0.51s，所以需约3s左右时间电容器可基本充电完成，最大充电电流I充=12V/51Ω=0.24A。采用电容器的好处之一可以减小电池的放电电流。当按下试验按钮，继电器K1动作（持续1s后返回），电容器C经电阻R2与被测CT一次回路放电，R2规格为10W2Ω，所以CT一次侧最大瞬间电流为I2=12V/2Ω=6A，由于输出导线有电阻，在加上CT一次回路的电阻，一般CT一次侧最大瞬间电流小于6A。采用电容器的好处之二可以缩短一次电流持续的时间，减小电池的放电量，同时继电器返回时电容器电荷量早已放完，减小了继电器返回时的触动的断开电流（继电器返回时的最大电流I返=12V/（51+2）Ω=0.23A）。二极管D1与CT一次线圈反向并联，CT充电时截止，当K1返回时，由于CT有电感，D2用于给CT续流，避免产生高压反电势。继电器返回时，CT一次端均接地，释放残留在一次线圈的电量。
二次回路：当电容器经CT一次线圈放电瞬间，一次线圈中产生了瞬间脉冲电流，此电流会在CT二次线圈中感应出电流。如果CT连接按减极性连接，二次电流由1S1流向1S2，电流表右偏，表示为减极性；反之电流表左偏，表示为加极性。
电流表通过开关S1切换，形成三量程电流表：当S1至中间位置时，R3、R4均断开，量程为50μA，当S1与上端接通时，R3与电流表并联，量程为100μA，当S1与下端接通时，R4与电流表并联，量程为500μA，以适应不同变比的CT测试。
D2、D3与二次回路并联，如果二次回路输入过大，二极管导通，二次侧输入最高电压限制在0.7V以内，用于保护电流表不被烧毁。
同时，电流表两端的电压信号经信号放大电路放大后，送至波形变换电路，波形变换电路有二个，一个用于变换正信号（减极性）、一个用于变换负信号（加极性），变换后变成脉冲数字信号送至CPU。
CPU电路：当试验按钮按下放手弹起后，相应的继电器动作，一次回路电容器放电，在一次侧通入脉冲电流，在二次回路中感应出电流，经波形变换后送至CPU。当接线为减极性时，减极性波形变换电路输出信号值CPU，CPU输出信号减极性灯亮，并保持；当接线为加极性时，加极性波形变换电路输出信号值CPU，CPU输出信号加极性灯亮，并保持。
按复位按钮后，可重新测试。
当电池电压高于10.8V时，电压监测电路输出高电平，经光耦后至CPU，电源指示灯亮，当电池电压低于10.8V时，电压监测电路输出低电平，经光耦后至CPU，此时电源指示灯闪烁，提醒给电池充电。
3.2.4仪器试验接线原理
单相绕组测试原理接线及工作原理，如图9.
单相四绕组同时测试原理接线，如图11.
此外，可拟开发组合式电流放大器装置（原理如图4-6），引入CPU采集控制程序，可集成多组电流放大器，满足不同放大倍数的需求，并可对电流回路进行检测。为避免误差，在CPU采集控制程序中加入消除采集误差的逻辑，保证数据的精确。
3.3.2主要技术参数
每台放大器装置内有4组放大器，每组放大器分别可放大5倍、10倍、20倍；
电流放大精度0.5%，相位延迟0.1°，50Hz。
配置开路报警功能，开路时亮灯，用红色二极管显示；不插外部线时，监测放大器自身回路，插入外部线时可以检测全回路功能。
缠绕线圈线径足够小，保证相位表电流钳有足够的测量空间。
3.3.3工作原理
图13组合式电流放大器装置工作原理图
4、新试验方法的实际应用
新研究的极性测试方法可以应用于各种变压器套管CT的极性测试，同时也适用于所有常规电流互感器的极性测试。
4.1多通道极性测试仪的应用
4.1.1工程应用
新试验方法均在500kV罗洞站#2变压器更换工程、中山110kV黄圃站、广州110kV友好站、凤尾站、水西站等基建工程中使用自主研制的多通道CT极性测试仪及试验方法，对工程项目的变压器套管电流互感器、普通电流互感器进行极性测试，效果良好，并与传统方法的测试结果进行对比，正确率达到百分之百。其中500kV罗洞站#2变压器更换工程、中山110kV黄圃站、广州110kV友好站工程均已顺利投入运行，所有经测试的电流互感器带负荷测试六角图结果正确，得到业主的高度评价。
4.1.2工程应用实例表
多通道极性测试仪可应用于现场套管CT的极性检验，解决了现有的套管CT试验仪器体积庞大，且其极性测试并不直观的问题，提高试验工作的准确性。同时可每次测试四个绕组的极性，与传统方法相比提高4倍工作效率。采用二极管和自保持指示灯，可以更直观、准确地分析结果。
4.2电流放大器的应用
4.2.1工程应用
该新试验方法在500kV罗洞站、110kV黄圃站、友好站、凤尾站、水西站等变压器上应用，对变压器套管电流互感器进行极性及变比测验验证，效果良好，结果精确。该方法更有效解决大容量的变压器套管CT极性及变比的测试，并与传统方法的测试结果进行对比，正确率达到百分之百。其中500kV罗洞站#2变压器更换工程、中山110kV黄圃站、广州110kV友好站工程均已顺利投入运行，带负荷测试六角图结果正确，得到业主的高度评价。
电流放大器在不增加测量误差的基础下放大电流倍数，克服以往变压器二次侧感应电流过小无法满足测试精度的要求，根据变压器的负载特性，确保极性正确同时可测得套管CT的变比，验证选用CT绕组组别的正确性。此外，电流放大器可应用于变电站投产试运行中，解决部分CT绕组负荷电流太小难以测量的问题。
4.3套管CT极性及变比测试新旧试验方法对比分析分析分析表
由此可见，多通道极性测试法及利用电流放大器改良后的一次加压升流法能够解决套管CT极性及变比测试的问题，降低了作业工作量，提高了作业效率。
5、结论
套管CT极性直接关系带有方向性的继电保护装置动作的正确性，从而影响变压器乃至整个电力系统的安全可靠运行，作为调试人员必须完全掌握套管CT极性测试与判定方法，保证其接线正确，为继电保护装置的正确动作打好基础，确保电网的安全、可靠、稳定运行。
通过现场的测试，本项目研究的两种试验方法能够达到极高的准确性和可靠性。经反复实验和论证，新试验方法大大改善了传统试验方法的弊端，有效的保证了套管CT安装后变极性及变比试验结果的正确性，还大大提高了工作效率及调试人员的投入，具有显著的社会和经济效益，值得大力推广。
通过项目的研究，开拓了调试人员的眼界和思路，对套管CT的极性测试有了更深的理解。为了更好的掌握套管CT的极性及变比测试，调试人员还应在实际工作中继续研究完善：
（1）进一步积累经验，多调多试。对于不同厂家不同型号的套管CT及常规CT需要继续验证，务必确保仪器及试验方法的可行性。
（2）不断调整更新。随着系统环境的不断变化，变电站的变压器的容量及变比不断增大，套管CT亦不断更新换代。套管CT等设备的调试方案研究的脚步不能停滞，也要随着系统不断地调整。
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论文作者:陈慕霞
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/8/1
标签：极性论文; 套管论文; 回路论文; 测试论文; 电流论文; 电流表论文; 绕组论文; 《基层建设》2016年9期论文;