专利名称：电流互感器励磁特性测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电流互感器励磁特性测试系统，特别是一种用于电力电流互感器二次绕组励磁特性的测试系统，用于电力测试技术领域。
背景技术：
电流互感器的二次绕组的励磁特性是决定互感器性能的重要因素，因此工程实践当中对电流互感器的二次绕组的励磁特性测量必不可少。根据国标GB16847-1997《保护用电流互感器暂态特性技术要求》，衡量互感器二次绕组的性能指标有很多。其中较为重要的有绕组电流与磁通关系、绕组电压与电流关系、剩磁系数、绕组内阻、线性电感等参数。这些参数的测量过程往往非常复杂和繁琐，以往的测试工具功能单一，且操作复杂，需要较多的后续处理工作。这些参数的测量和曲线的获取不能在一次测量当中全部实现，因此很难满足现代化的快速生产要求。在国标GB16847-1997中提到，传统的测试装置采用的测试原理主要有低频交流法、直流法和电容放电法。
经对现有技术文献的检索发现，刊登在《高电压技术》第26卷第三期2000.6上的“暂态保护互感器暂态绕组励磁特性及剩磁测试”一文中提到，基于低频交流法的测试装置需要采用大容量昂贵的电源装置，使得系统复杂、开发成本高。而采用传统的直流法的测试装置，二次绕组放电过程中的电流变化缓慢，电流不能在短时间达到零点，故剩磁系数的测量不能准确得到。而且在绕组放电过程开始时在绕组两端会产生电压突变现象，这对于接在其两端的电压传感器是很不利的，即要求电压传感器有很高的耐压和很宽的频率相应特性。对于TPY级电流互感器，其剩磁通常较低可以忽略，而对于TPS和TPX极电流互感器，由于剩磁系数高，需在每次试验前进行铁心退磁。因此在励磁特性测量中需要一道额外的消磁处理工序，给测试带来很大的不便。此外，以上装置中都不易测得绕组内阻，需要附加试验。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电流互感器励磁特性测试系统，使其克服了传统测试装置的复杂、高压危险测试状况，是一种能够测量多种参数和曲线的多功能的成本低廉的应用方便的测试系统。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括电源系统、测量主回路、数据采集系统、控制子系统、中央处理器系统和外围通用设备。其连接关系为电源系统与测量主回路通过控制子系统连接，测量主回路与中央处理器系统则通过数据采集系统联接在一起。而外围通用设备则与中央处理器系统连接在一起提供数据输入、输出功能。
电源系统由全桥整流模块、滤波电容和启动保护电路组成。电源系统的功能是负责将220VAC，50Hz的交流电转化成为励磁用的直流电。全桥整流模块的输入端施加220VAC，50Hz的交流电，而在其两个输出端子间接启动保护电路。启动保护电路防止系统突然加电瞬间的大电流产生。紧接着启动保护电路连接滤波电容进行滤波处理，以减小电源波纹。
测量主回路由阻尼电阻RD、并联电阻Rp、并联电容Cp、被测绕组组成。并联电阻Rp、并联电容Cp和被测绕组并联，在此基础上再串连一个阻尼电阻RD构成了这个测量主回路的主要部件，其它检测部件则对这个主回路中的相应检测点进行数据采集。测量主回路的功能在于构成测试用充放电回路。
数据采集系统由电流传感器、电压传感器、隔离模块、温度传感器、温度变送器和数据采集卡的模拟通道组成。数据采集系统的功能在于采集测量主回路当中被测绕组的电压、电流信号和环境温度。电流传感器的输入端与测量主回路中的被测绕组串连在一起，实现被测绕组电流量的测量。而电压传感器的输入端与被测绕组并联在一起，实现被测绕组电压量的测量。电流传感器和电压传感器的输出端子分别与两个隔离模块的输入端子相连接，以实现系统强电部分与弱点部分的隔离。两个隔离模块的输出端子则分别连接数据采集卡的两个模拟量输入通道。温度传感器用于采集环境温度，温度传感器是标准热电阻PT100，它连接温度变送器的电阻输入端子。温度变送器的电源回路中串联标准电阻，而这个标准电阻两端的信号被送到数据采集卡的另一个模拟量通道。
控制子系统由数据采集卡的数字量输出通道、固态继电器、电磁继电器、接触器组成。数据采集卡的数字量输出通道包括测试控制DO0、绕组反向控制DO1、主电源开关控制DO2。固态继电器包括主电源控制SSR1、绕组反向控制SSR2、测试控制SSR3。电磁继电器包括主电源控制KM1、绕组反向控制KM2、测试控制KM3。接触器包括主电源开关KS1、绕组反向开关KS2、测试开关KS3。数据采集卡的三个数字量输出DO2、DO1、DO0分别连接三个固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输入端子，而三个固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输出端子分别与三个电磁继电器KM1、KM2、KM3的线圈串联在一起连接于24VDC的电源。三个电磁继电器KM1、KM2、KM3的常开触点分别与三个接触器KS1、KS2、KS3的线圈串联在一起连接于220VAC，50Hz电源。控制子系统的功能在于构成测量主回路的控制开关及相应的隔离驱动电路。
中央处理器系统由带有ISA总线扩展槽的工业控制计算机构成。其上运行了视窗操作系统，具有友好的控制界面。其功能在于实现中央运算和逻辑控制任务。通过控制ISA总线扩展槽上的多功能ISA数据采集卡实现对数据采集系统和控制子系统的控制功能。
外围通用设备由一台打印机、一块液晶显示器、操作键盘和鼠标组成。它负责系统人机交互和被测参数和曲线的显示、打印功能。
控制子系统的主电源开关KS1把220VAC，50Hz的交流电与电源系统连接在一起。控制子系统的测试开关KS3连接电源系统和测量主回路。而被测绕组是通过控制子系统的绕组反向控制开关KS2连接于测量主回路当中，属于测量主回路的一部分。三个接触器开关功能分别为主电源开关KS1负责接通励磁主电源，为测试做好准备；绕组反向开关KS2负责将测试绕组反接，实现对绕组的正反向测试；测试开关KS3负责接通和断开测试过程。整个系统由中央处理器系统集中控制，中央处理器系统按照严格的逻辑顺序和时间间隔协调处理电源系统、测量主回路、数据采集系统、控制子系统和外围通用设备的动作。
本发明与现有技术相比，具有以下优点(1)基于工业控制计算机，采用了虚拟仪器技术，发挥计算机的软硬件优势，实现数据的自动采集、分析和处理，突破了传统仪器在测量速度、功能及适应范围的局限。(2)在一次测试当中实现了对电流互感器二次绕组的线性电感、剩磁系数、绕组内阻、电压-电流关系曲线、磁通-电流关系曲线的测量。(3)不需要额外的专门的消磁措施，即通过正反交替励磁实现了测量消磁一体化。并且可取多次测量的平均值，减少了随即误差，提高了精度。(4)对国标推荐的直流法测试回路B3进行了简单改造，即在被测绕组侧并联一个大电容，改善被测绕组的电压、电流波形，使放电过程中电压变化变缓，并且使电流变化在较短时间内过零点。这样保证了对被测绕组电压的积分时间有限化，使得剩磁系数的测量更精确。(5)通过对测试开关的通断控制，使被测绕组电压、电流变化曲线中增加相应的稳态段，实现了绕组的内阻测量。并且通过环境温度的在线测量，实现了环境温度下绕组内阻向标准75℃内阻的自动转换。(6)具有励磁特性曲线的显示和打印、报表编辑和打印功能。(7)具有测试数据保存和历史记录查询功能。


图1本发明系统框2本发明测试时序3～6本发明测试程序流程7本发明电路图具体实施方式
如图1所示，电流互感器励磁特性测试系统包括电源系统、测量主回路、数据采集系统、控制子系统、中央处理器系统和外围通用设备。电源系统由全桥整流模块、滤波电容和启动保护电路组成。全桥整流模块的两个输出端子连接启动保护电路，启动保护电路的输出连接滤波电容；测量主回路由阻尼电阻RD、并联电阻Rp、并联电容Cp、被测绕组组成，并联电阻Rp、并联电容Cp和被测绕组并联，在此基础上再串连一个阻尼电阻RD；数据采集系统由电流传感器、电压传感器、隔离模块、温度传感器、温度变送器和数据采集卡的模拟通道组成，电流传感器的输入端与测量主回路中的被测绕组串连在一起，电压传感器的输入端与被测绕组并联在一起，电流传感器和电压传感器的输出端子分别与两个隔离模块的输入端子相连接，两个隔离模块的输出端子则分别连接数据采集卡的两个模拟量输入通道，温度传感器连接温度变送器的电阻输入端子，温度变送器的电源回路中串联标准电阻，而这个标准电阻两端的信号被送到数据采集卡的另一个模拟量通道；控制子系统由多功能数据采集卡的数字量输出通道、三个固态继电器、三个电磁继电器、三个接触器组成，多功能数据采集卡的数字量输出通道包含三路输出，分别经三个固态继电器和三个电磁继电器的隔离放大送入三个接触器开关，以控制测量主回路。中央处理器系统由一台工业控制计算机组成，中央处理器系统通过多功能数据采集卡连接数据采集系统和控制子系统，同时，它与外围通用设备连接。
在控制子系统中，多功能数据采集卡的数字量输出通道包括测试控制DO0、绕组反向控制DO1、主电源开关控制DO2，三个固态继电器为主电源控制SSR1、绕组反向控制SSR2、测试控制SSR3，三个电磁继电器为主电源控制KM1、绕组反向控制KM2、测试控制KM3，三个接触器为主电源开关KS1、绕组反向开关KS2、测试开关KS3，数据采集卡的数字量输出DO2、DO1、DO0分别连接固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输入端子，而固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输出端子分别与电磁继电器KM1、KM2、KM3的线圈串联在一起连接于24VDC的电源，电磁继电器KM1、KM2、KM3的常开触点分别与接触器KS1、KS2、KS3的线圈串联在一起连接于220VAC，50Hz电源。
控制子系统的主电源开关KS1连接220VAC，50Hz的交流电和电源系统，控制子系统的测试开关KS3连接电源系统和测量主回路，控制子系统的绕组反向控制开关KS2连接测量主回路和被测绕组。
中央处理器系统由带有ISA总线扩展槽的工业控制计算机构成，其上运行了视窗操作系统，通过控制ISA总线扩展槽上的多功能ISA数据采集卡实现对数据采集系统和控制子系统的控制。
外围通用设备由一台打印机、一块液晶显示器、操作键盘和鼠标组成。
以下提供实施例采用虚拟仪器技术，在实施时采用一块集成了模拟数据采集功能和数字量输出控制功能的ISA总线多功能数据卡，将其插在运行有视窗操作系统和板卡驱动程序的工业控制计算机的ISA总线扩展槽上，在计算机内部通过应用软件编程实现所有控制功能和数据采集功能。即用软件编程代替了很多硬件设计，使得系统整洁有效。这里使用的集模拟数据采集和数字量输出控制功能的ISA总线多功能数据卡是一块PCL-818L数据采集卡。它提供了五种常用的测量和控制功能A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出、计时器/定时器功能。8通道差分模拟量输入，TTL兼容，A/D转换器分辨率为12位，精度为0.01％，最高采样率可达到40KHz。本系统采用差分模拟量输入方式，总共有3个模拟量输入，分别为被测绕组两端电压AI0、被测绕组电流AI1、来自温度便送器的温度信号AI2。每个通道的输入范围为±10V，采样率为3KHz。数据传送方式选用中断传送，在每采样一个数据产生一个中断，中断程序把数据送到事先分配好的缓冲区内。利用板卡的数字量输出DO功能实现了三路开关的控制。图7中，S开关为系统启动的总开关；PCL818L为数据采集卡，差分输入0～10V；KS1、KS2、KS3、KS4为接触器；KM1、KM2、KM3、KM4为电磁继电器；SSR1、SSR2、SSR3为固态继电器；信号DO0，DO1，D02为数据采集卡的三个数字量输出；ISO1，ISO2为隔离模块；HSY为电流传感器；HNV为电压传感器；Rp为并联电阻，100Ω，2800W；Cp为并联电容1500μF，450V；RD为阻尼电阻，30Ω，900W；C为滤波电容4500μF，450V；R1为启动保护分压电阻2.3KΩ，100W；R2为启动保护串联电阻20Ω，600W；RKM4为继电器KM4内阻100Ω；SBWZ为温度变送器；PT100为温度传感器；具备了如上所述的硬件条件后，通过对工业控制计算机编程，实现对数据采集卡控制，使整个系统按照如下逻辑顺序动作，完成相应的数据采集和处理过程1)工业控制计算机控制数据采集卡进行环境温度信号采集，将温度数据存入计算机内存。2)工业控制计算机控制数据采集卡输出主电源开关控制信号，把主电源开关KS1接通。3)计算机控制数据采集卡输出绕组反向开关控制信号，把被测绕组反接。4)计算机控制数据采集卡输出测试控制信号，把测试开关KS3接通。这时经过整流和滤波的直流电流会对被测绕组进行励磁。通过电压传感器和电流传感器分别对励磁过程中的被测绕组的电压和电流信号进行实时采集，直到这个充电过程达到稳态。5)计算机控制数据采集卡输出测试控制信号，把测试开关KS3断开。这时直流电源被切断，并联电阻Rp和Cp与被测绕组构成了一个独立的放电回路，产生一个放电过渡过程，数据采集卡采集这个放电过程的电压电流信号，直到放电过程结束。6)检查测量次数是否已经达到规定测量次数。如果是，则进入第7)步。否则，返回到第3)步继续测试。7)计算机控制数据采集卡输出断开电源信号，把主电源开关KS1断开。8)工业控制计算机对采集到的电压、电流和温度信号进行换算、错误侦破、滤波和数值计算等处理过程得出预期被测参数和曲线，并根据需要打印测试报表和励磁特性曲线。图2描述了在一次测量当中各个开关的动作逻辑和数据采集过程，其中规定测量次数定为4，用户可以根据需要灵活设置此数(应为偶数，因为偶数能保证在一次测量结束时所有开关线圈处于不带电状态)。图3～6中，中央处理器系统内部的测试程序流程划分为四个模块，它们分别为参数计算模块、数据采集模块、主测试模块、数据处理模块。它们之间的调用关系为主测试模块依次调用数据采集模块和数据处理模块，数据处理模块再调用参数计算模块。主测试模块实现测量和运算的宏观控制，并打印测试报表；数据采集模块担当一次被测绕组通断电过程中的电压、电流数据采集任务；数据处理模块负责对所采集的电压、电流信号进行数据处理，实现数据滤波、绕组参数平均值计算、励磁特性曲线直流表示到交流表示的转换；参数计算模块完成被测绕组励磁特性参数(剩磁系数、绕组内阻、线性电感)计算。
权利要求
1.一种电流互感器励磁特性测试系统，包括电源系统、测量主回路、数据采集系统、控制子系统、中央处理器系统和外围通用设备，其特征在于，电源系统由全桥整流模块、滤波电容和启动保护电路组成，全桥整流模块连接启动保护电路，启动保护电路连接滤波电容；测量主回路由阻尼电阻RD、并联电阻Rp、并联电容Cp、被测绕组组成，并联电阻Rp、并联电容Cp和被测绕组并联，在此基础上再串连一个阻尼电阻RD；数据采集系统由电流传感器、电压传感器、隔离模块、温度传感器、温度变送器和数据采集卡的模拟通道组成，电流传感器的输入端与测量主回路中的被测绕组串连，电压传感器的输入端与被测绕组并联，电流传感器和电压传感器的输出端子分别与两个隔离模块的输入端子相连接，两个隔离模块的输出端子则分别连接数据采集卡的两个模拟量输入通道，温度传感器连接温度变送器的电阻输入端子，温度变送器的电源回路中串联标准电阻，而这个标准电阻两端的信号被送到数据采集卡的另一个模拟量通道；控制子系统由数据采集卡的数字量输出通道、三个固态继电器、三个电磁继电器、三个接触器组成，数据采集卡的数字量输出通道包含三路输出，分别经三个固态继电器和三个电磁继电器的隔离放大送入三个接触器开关，控制测量主回路；中央处理器系统通过数据采集卡连接数据采集系统和控制子系统，同时与外围通用设备连接。
2.如权利要求1所述的电流互感器励磁特性测试系统，其特征是，在控制子系统中，数据采集卡的数字量输出通道包括测试控制DO0、绕组反向控制DO1、主电源开关控制DO2，三个固态继电器为主电源控制SSR1、绕组反向控制SSR2、测试控制SSR3，三个电磁继电器为主电源控制KM1、绕组反向控制KM2、测试控制KM3，三个接触器为主电源开关KS1、绕组反向开关KS2、测试开关KS3，数据采集卡的数字量输出DO2、DO1、DO0分别连接固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输入端子，而固态继电器SSR1、SSR2、SSR3的输出端子分别与电磁继电器KM1、KM2、KM3的线圈串联在一起连接于24VDC的电源，电磁继电器KM1、KM2、KM3的常开触点分别与接触器KS1、KS2、KS3的线圈串联在一起连接于220VAC，50Hz电源。
3.如权利要求1或者2所述的电流互感器励磁特性测试系统，其特征是，控制子系统的主电源开关KS1连接220VAC，50Hz的交流电和电源系统，控制子系统的测试开关KS3连接电源系统和测量主回路，控制子系统的绕组反向控制开关KS2连接测量主回路和被测绕组。
4.如权利要求1所述的电流互感器励磁特性测试系统，其特征是，中央处理器系统由带有ISA总线扩展槽的工业控制计算机构成，其上运行了视窗操作系统，通过控制ISA总线扩展槽上的多功能ISA数据采集卡实现对数据采集系统和控制子系统的控制。
5.如权利要求1所述的电流互感器励磁特性测试系统，其特征是，外围通用设备由一台打印机、一块液晶显示器、操作键盘和鼠标组成。
全文摘要
一种电力测试技术领域的电流互感器励磁特性测试系统，电源系统由全桥整流模块、滤波电容和启动保护电路组成，测量主回路由阻尼电阻RD、并联电阻Rp、并联电容Cp、被测绕组组成，并联电阻Rp、并联电容Cp和被测绕组并联，在此基础上再串连一个阻尼电阻RD，数据采集系统由电流传感器、电压传感器、隔离模块、温度传感器、温度变送器和数据采集卡的模拟通道组成；控制子系统由数据采集卡的数字量输出通道、三个固态继电器、三个电磁继电器、三个接触器组成；中央处理器系统通过数据采集卡连接数据采集系统和控制子系统，同时与外围通用设备连接。本发明克服了传统测试装置的复杂、高压危险测试状况，能够测量多种参数和曲线，成本低廉、应用方便。
文档编号G01R31/02GK1603852SQ20041006756
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者杨煜普, 达来, 李富根, 张毅君, 牛志勇 申请人:上海交通大学