刘其良 段瑞林 李威 张进 肖军 冯翔 余轲 陈智龙

（国网湖南省电力有限公司检修公司）

0 引言

为了保证电力变压器的安全运行，需要其自身的安全保护装置、油保护装置、测温装置、测量装置等共同作用[1]。电力变压器高压侧的电流互感器俗称升高座，它安装在变压器本体上，其内部还装入了套管式电流互感器，在升高座上装有高压套管。升高座是连接变压器内部绕组和套管引出线的重要组成部分，升高座电流互感器的重要性同样不言而喻[1]，其内部结构如图1所示。

升高座电流互感器可以为测量仪表和继电保护电路提供信号。变压器的过流、短路、过负荷、差动等保护，以及变压器的负荷、电流、电度表等测量元件，都需要从电流互感器取电流信号[2]。电流互感器如果极性错误，将会影响计量回路的正确计量或造成保护装置错误动作，因此极性测量是电流互感器交接、诊断测试中的重要项目，特别是涉及升高座电流互感器吊装的检修工作，需要复装后再次核实互感器的极性。

图1 变压器升高座结构

而随着电力变压器的容量不断增大，变压器绕组的匝数也越来越多，这给升高座电流互感器的极性测试也带来了一系列影响。

总得来说，目前对升高座电流互感器极性测试存在以下问题[1-3]：

1）涉及套管升高座吊装的变压器大型检修现场，需要在安装完成后再次核实升高座电流互感器的极性。目前升高座电流互感器的试验一般在安装前进行，安装到变压器本体后，缺乏成熟的试验手段，这样就存在隐患：无法对变压器升高座电流互感器二次回路进行彻底的检查，特别是极性。电力系统中曾发生过多起因变压器升高座电流互感器二次回路存在问题导致的事故。

2）升高座安装就位后，要测量内部电流互感器的极性，就必须将变压器的绕组充当互感器的一次绕组。变压器的绕组线圈匝数多，具有“通直阻交，通低频阻高频”的效应，用传统的互感器综合测试仪，向变压器绕组施加的交流电流难以通过绕组，升高座电流互感器二次绕组也就感应不到电流电压，无法测量出极性。

1 现有测量手段

目前变压器的升高座电流互感器试验通常在安装前的附件交接试验中进行，试验时常采用铁棍充当电流互感器的一次绕组。使用最广泛的为互感器综合测试仪，以武汉豪迈电力的CTP-220P互感器综合测试仪为例，其基于先进的变频法，输出的交流电压最大仅180V，交流电流为5A，虽然能够适用于各类型号的电流互感器极性测量，但该测量方法不适用于安装后的测量。

而安装后升高座电流互感器极性测量方法通常为“直流感应法”和“一次加压升流法”[4-6]。所谓“直流感应法”，就是在变压器套管引出线与中性点引出线之间加3V直流电，试验人员使用万用表的毫安档对电流互感器二次侧进行测量，观察其指针偏转进行极性判断。但安装好的套管升高座电流互感器与外设单只电流互感器最大不同是：套管升高座电流互感器一次点极性时串接了变压器很大的一次阻抗，而外设单只电流互感器一次阻抗很小，故对变压器点极性时，产生的突变电流很小，利用“直流感应法”无法测量套管式电流互感器的极性。

如图2所示，升高座安装后，其套管TA和中性点TA的非极性端即在内部相连，L1和L2之间的阻值非常大。按“直流感应法”，在L1和L2之间加3V的直流电压，一次侧所产生的突变电流很小，那么感应到二次侧的电流就更小了，万用表难以测量。

图2 套管升高座TA极性测量原理图

“一次加压升流法”[7-9]是将变压器低压侧短接接地，在高压侧加380V的电压，形成短路电流，通过对升高座电流互感器的二次绕组带负荷测试六角图校验其极性。这种测试实际上只能作为保护投入运行的最后一道校验手段，用于确保其主变差动回路正确接线，工作中不能单纯的依靠这种方式。而且随着我国建设的高速发展，变压器的容量越来越大，该测试方法在二次绕组产生的感应电流越来越小，普通伏安特性表的精度已达不到测量要求。

2 新方法原理及分析

2.1 基本原理

针对变压器升高座电流互感器极性的测试，本文提出了一种在不拆套管升高座的情况下快速测量变压器升高座电流互感器极性的方法。

在变压器绕组两端施加一个从零快速上升的直流电流充当升高座电流互感器的一次电流，该电流流过升高座内的穿芯式电流互感器并从零增大直至稳定，一次电流产生的磁场强度越来越大，相同条件下升高座电流互感器的铁心中的磁通量也会逐渐增加，根据楞次定律，升高座电流互感器二次绕组中会产生一个阻碍铁心中磁通量增加的感应电动势，通过电压采样单元采集到该信号并进行处理与判断，就可以测出升高座电流互感器的极性。

假设在变压器绕组首端施加的直流电流i满足：

式中，I0为固定值，t=L/R为时间常数。施加的直流电流i随时间的关系如图3所示。

图3 电流变化曲线

根据载流直导线的磁场计算方法，变压器升高座电流互感器中的磁场模型可以等效为如图4所示。

图4 升高座电流互感器的磁场计算模型

把此直线电流看成电流元的集合，对直导线上的任一电流元，其大小为idl，它到场点P的距离为r，α为电流元与矢量之间的夹角[10]，根据毕奥—萨伐尔定律，此电流元在P点所激发的磁感强度dB的大小为

而dB的方向由idlxr确定。很显然，每一个电流元在P点激发的方向都是一致的。因此可直接由上式积分求总的磁场强度，

由图4可知以下几何关系：

根据式（4）～式（6）可以得出：

将式（4）、式（5）和式（7）代入式（3）推导出磁感应强度关系：

考虑到升高座上端的引线长度远大于升高座电流互感的直径，可以将引线近似等效为半无限长的导线，此时P点的磁场强度大小可简化为：

而磁场强度B 的方向总是沿套管电流互感器的切线方向。

假设升高座电流互感器铁心截面积为S0，二次绕组线圈匝数为N匝，如图5所示。

图5 感应电压示意图

则流过的磁通量为：

二次绕组产生的感应电压为：

根据式（11）可知，从变压器绕组首端施加一个逐渐增大的直流电流，升高座电流互感器的二次绕组会感应一个同极性的电压，且施加的电流参数越大，二次侧的电压也越大，就更容易测出。

2.2 测试系统

整个测试系统结构包含直流电流发生器、电流输出接口、电压采样接口、信号放大滤波处理电路、模数转换电路、计算机系统、数据存储电路及人机交互模块。具体结构示意图如图6所示。

图6 测试系统结构示意图

其中，测量装置的直流电流发生器通过测试电流输出接口接到被试的变压器绕组两端，输出一个由0快速增大直至稳定的直流电流，通过人机交互模块可以选择电流大小；升高座电流互感器的二次绕组接电压采样输入接口，在该直流电对变压器绕组充电的暂态过程中，采集二次绕组的电压信号；将采集到的电压信号经过信号放大滤波处理电路处理，效滤除杂散的干扰电压，放大输入信号的幅值；然后将放大的信号输入到模数转换器，把模拟信号转换为数字信号，并将数据存储到缓存区供计算机系统处理；计算机通过测量电压的数值范围进行极性判定，并将测量结果至显示器。

接线示意图如图7所示，直流电流发生器的电流输出接口I+（电流正极）、I-（电流负极）分别接入变压器绕组首端与尾端。电压采样输入接口U+（电压正极）、U-（电压负极）分别接入电流互感器二次绕组首端与尾端。

接线完成后，先打开测量装置进行参数设置，根据测试需要设置直流电流大小，再点击开始测试。选择测试后程控电源开关自动打开，并对测得的电压信号进行放大处理。启动模数转换，对电压V进行数据的数字化测量，将结果存储在缓存中。根据测量结果的数值范围进行极性的判定，并显示测量结果。其具体程序流程如图8所示。

图7 测试接线示意图

图8 程序流程图

2.3 实际应用分析

整个测试系统完成后，试验人员将仪器带往现场，对一台220kV主变压器的中压侧升高座电流互感器极性进行了测试，如前文所述，先将测试所需的直流电流接到变压器绕组两端，输出电流设为10A；在升高座电流互感器的端子盒采集二次绕组的电压信号；现场部分接线图如图9所示，电流输出正极接中性点套管，负极接高压A相套管，电压测试正极接S2绕组，负极接S1绕组。后续的运算放大模块、模数转换模块、数据存储模块以及单片机控制模块都已经集成到HS311互感器极性测试仪中，将试验线接好后，启动测试，10s左右仪器上显示测量结果为减极性，如图10所示。然后再将仪器端二次接线更换，测得的结果为加极性，如图11所示。

所测结果与升高座电流互感器的实际极性完全一致。

图9 现场接线图

图10 测试结果图

图11 测试结果图

试验人员在现场完成了接线、测试、放电等一系列过程，测试迅速，且结果准确，能很好地完成升高座电流互感器的极性测试，证明了本文所提出的这一不拆变压器套管进行试验的方法的可靠性。

之后，试验人员还在±500kV鹅城换流站以及±800kV换流站的拉杆更换后试验中对这一方法进行推广应用，大大节约了人力和时间成本，保证了整个试验的顺利完成，为换流站的及时可靠送电发挥了重大重用。

3 结束语

针对变电站现场，变压器升高座电流互感器的极性难以测量这一问题，本文提出了一种新型测试方法，通过在变压器绕组两端施加快速增大的直流电流，使升高座电流互感器的磁场快速变化并在二次绕组中产生感应电压，再通过信号采样与处理电路将测试结果反馈给计算机系统进行分析判断。根据该方法研制了新型升高座电流互感器极性测试系统，并在现场进行了试验，结果证明这一方法准确可靠，能帮助现场提高工作效率，减少安全隐患。