CT分析仪如何保证对电流互感器状态和准确度的校验

CT分析仪是电流互感器准确度现场检定的必备仪器。传统电流互感器测试方法，主要为测差法，由于原理上的局限，使得电流互感器的现场检定极为不便。本文设计研制的CT分析仪采用新的间接测试方法—低压法，它是通过测量CT 的内部参数来获取电流互感器的比差和角差。仪器按照智能化的设计方法，结合数字采样技术，以DSP微处理器为核心，采用先进的数字信号处理方法，仅用一台仪器即可实现电流互感器的现场检定，有效的解决了电流互感器现场测试的难题。

1 引言

电流互感器是电力系统中较重要的高压设备之一，它被广泛用于电力系统的电流测量和继电保护中，在正常运行情况下，电流互感器能够保证所在电气回路电流量的准确传变。但是，由于电流互感器主要由非线性的电磁元件组成，非线性元件会对互感器的暂态响应特性产生不良影响，甚至出现饱和问题致使电流互感器的二次侧无法如实反映一次侧电流的变化情况。因此对电流互感器的暂态特性和剩磁进行分析确保其状态和准确度是保证电力系统安全，可靠，高效运行的重要环节。

CT分析仪是对电流互感器状态和准确度进行校验的必备仪器。早期的CT分析仪是比较式的，即将标准和被检互感器的二次电流分别输入仪器，通过仪器内部的电阻元件转换为名义值相同的电压，再减出二者电压之相量差，折算为被检互感器相对于标准互感器的比值差和相位差。这种直接比较式校验仪，由于电阻元件参加转换，其误差就是校验仪的测量误差，因此这种校验仪只能用来检定比电阻元件准确度低一个数量级的0.1级以下的低精度互感器。后来CT分析仪发展为测差式，就是将标准和被校互感器的二次电流之差输入分析仪内部进行测量，仪器内部元件的误差，仅是仪器读数的误差，也就是互感器误差的误差。这样的分析仪就能用来检定高精度互感器【1】。

按照早期的测试方法检定电流互感器需要比被检互感器高两个等级或以上的标准电流互感器、互感器分析仪、电流负载箱和相应的升流设备，由于现场使用的电流较大，通常一套标称2000A以下设备的总重量不低于200kg，使用非常不方便;另外，现场检测需要线路停电，由于设备庞大，接线时间很长，要求停电的时间长，对供电系统的影响比较大;还有些电流互感器电流太大，需要的大电流导线又粗又长，在现场需要吊车的配合才能接线，即使这样，也不一定能升到额定电流。因此，目前电流互感器的现场检测只是对部分电流互感器而言。在许多场合，应用传统的电流互感器检定方法困难重重【2】。

鉴于早期的电流互感器检定方法已经不能适应电流互感器现场测试的需要，本文设计研制了一种基于低压原理CT分析仪。主要应用于电流互感器的二次时间常数Ts、拐点、复合误差、剩磁系数、暂态特性(TP级CT)等参数测试。

2 分析仪测试原理

2.1 直接法原理

早期的CT校验采用直接比较法【3】，如图1所示，校验时要求将电流最大升到额定一次电流的120%，标准CT与被试互感器进行比较，通过互感器校验仪测量误差。该方法在校验特大CT、GIS中的CT时存在的主要问题是：由于电流大或一次回路太长，校验时升流设备很难满足要求。

图1 直接比较法校验仪原理图

2.2 测差法原理

CT校验仪发展为测差式【4】，如图2所示，就是将标准和被校CT的二次电流送入到CT校验仪的差接电路(即取差电路)，然后将差接电路得到的差值输入到测量环节进行测量，最后与标准互感器二次电流比较，得出被检CT相对于标准CT的比差值与角差值。

图2 测差法校验仪原理图

2.3 直流低压法原理

依据互感器的基本理论，电流互感器的等效电路如图3所示，图中Ip为CT二次理想电流、Ie为泄漏电流、Is为CT二次实际电流、G为导纳实部、B为导纳虚部、Rs为二次绕组直流电阻、Xs为漏抗、Zb为二次负载。

图3 CT二次等效电路图

依据等效电路图和经典误差理论，可知CT的部分误差是由CT的导纳等因素造成的泄漏电流Ie引起的，其误差的表达式为：f=-Ie/Ip;由变比引起的CT误差为：(SR-N)/N。因此CT综合误差的表达式如下：

F=[1+(-Ie/Ip)]?[1+(SR?N)/N]-1=(SR-N)/N?Ie/Ip?[(SR-N)/N](Ie/Ip) (1.1)

式(1.1)中：Ie=Is(Rs+jXs+Zb)(G?jB) (1.2)

因此(1.1)式可简化为F=(SR-N)/N?(Rs+jXs+Zb)(G?jB)Is/Ip (1.3)

考虑对于2级以上的互感器有：Is≈Ip; 将式(1.3)中的实部和虚部分开，得:

比差公式f=-{G(Rs+ZbcosΦ)+B(Xs+ZbsinΦ)}+(SR/N-1) (1.4)

角差公式δ= {B(Rs+ZbcosΦ)-G(Xs+ZbsinΦ)} (1.5)

式中：Xs为漏抗,Zb为二次负载,SR为CT额定电流比,N为CT实际电流比,Φ为二次负荷的功率因数角。

其中漏抗Xs可以忽略即令Xs=0。则只要测出N(实际电流比)，Rs(二次绕组直流电阻)，Y=G-jB(绕组在Es激励下50Hz的导纳)和二次负载Zb，代入(1.4)、(1.5)式中则可以计算出CT 的比差和角差。其中测量导纳Y二次侧所加的激励Es 为实际工作状态时二次绕组中的感应电势，经过微机处理计算即可求得Y值。直流低压测试原理的关键在于实际电流比N的测量。依据互易原理，在保持CT铁心磁化状态不变的情况下，其实际电流比N等于用互易原理所得的实际电压比K,K的测试方法是在二次绕组加低压，同时测得一次绕组的感应电压，将这两个信号送入DSP中进行处理计算而得，然后代入公式即可测得比差和角差。

3 CT分析仪设计

本CT分析仪正是基于上述低压法，采用DSP处理器芯片，具备电流互感器现场校验、饱和曲线测试、CT二次负荷测量等多种功能。其测量原理如图4所示。

图4 CT分析仪原理框图

采用查询方式完成A/D转换器转换结果的数据采集。当输入电压信号超过设定的参考电压时，A/D转换器输出超量程信息，而当输入电压信号小于设定的参考电压时，A/D转换器输出欠量程信息。程序根据A/D转换输出的超欠信息判别量程是否适当。在自动量程选择期间，系统不响应键盘中断。在自动量程的实现过程中，采用逐级比较的方法进行。为了保持A、B信号通道的增益比例不变，采取了同步措施，即两个通道增益倍数一致变化，这样该电路绝对增益精度并不重要。测量二次绕组直流电阻需要用直流电源，测量导纳和变比需要交流电源。因此仪器必须同时具备直流输出和交流输出的能力。为确保信号源要求精度采用模拟器件(Analal device)公司的AD7538芯片作为数字信号源【5】。为了提高输出波形频率的稳定性，振荡器采用了晶体振荡器，该振荡器(或分频后)可以和DSP的时钟同用一个电路。由于晶体振荡器的高稳定性和锁相环的优良特性，波形发生器的输出频率能达到更高的精度【6】。

4分析仪特点及试验

4.1主要特点

(1)功能全面，满足各类CT(如：保护类、计量类、TP 类)的伏安特性、变比、极性、二次绕组电阻、二次负荷、比差以及角差等测试要求。

(2) 现场检定电流互感器无需标准电流互感器、升流器、负载箱、调压控制箱以及大电流导线，使用极为简单的测试接线和操作实现电流互感器的检定，极大的降低了工作强度和提高了工作效率，方便现场开展互感器现场检定工作。

(3)可精确测量变比差与角差，比差最大允许误差±0.05%，角差最大允许误差±5min，能够进行0.2S 级电流互感器的测量，变比测量范围为1~40000。

(4) 自动给出拐点电压/电流、误差曲线、二次时间常数(Ts)、剩磁系数(Kr)、饱和及不饱和电感等CT参数。

(5)装置可存储1000 组测试数据，掉电不丢失。

(6)易于携带，重量<9Kg。

4.2 CT试验结果

对电流互感器进行测试前，先对CT分析仪进行自检，自检界面如图5所示，在万用表的帮助下，检查分析仪是否损坏，测量电路是否正常。自检合格后，进行接线，对电流互感器进行试验，试验的比值差表将显示不同额定电流百分比和不同负荷值情况下被测CT的比值差与相位差，比值差表界面如图6所示。

图5 分析仪自检界面

图6 比值差表界面