一種測量變壓器接地電阻電流的電子式電流互感器

趙旭彤 彭 搏 肖登明

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200030）

在配網(wǎng)中，變壓器中性點接地電阻裝置，可以將變壓器中性點強(qiáng)制接地，并限制其故障電流，使繼電保護(hù)設(shè)備有足夠的時間進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)跳閘和備用切換，避免配電網(wǎng)和電氣設(shè)備遭到破壞。對變壓器接地電阻電流數(shù)值進(jìn)行實時監(jiān)測并將信息記錄，有助于對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線評估，為變壓器的狀態(tài)檢修提供依據(jù)積累運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，為故障判斷、停電檢修提供依據(jù)。

本設(shè)計中，電子式電流互感器的高壓側(cè)存在電子電路，必須有電源支持才能正常工作。有源電子式電流互感器是將傳感元件與光纖通信技術(shù)相結(jié)合的新型電流測量設(shè)備，采用霍爾傳感器將一次被測電流變換成與之成線性關(guān)系的模擬電壓信號。由于在變電站的強(qiáng)電磁場環(huán)境下，同時為了降低電流互感器絕緣設(shè)計結(jié)構(gòu)的要求，必須在高壓側(cè)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過光纖后傳輸?shù)胶喜卧Ｒ虼?，需要在高壓?cè)引入信號調(diào)制電路，并提供相應(yīng)的工作電源。采用激光供電的方式，具有電源能量供給穩(wěn)定，不受母線電流大小影響的優(yōu)點。整套有源電子式電流互感器測量裝置包括激光供能系統(tǒng)、高壓側(cè)信號調(diào)制電路和合并單元，原理圖如圖1所示。

圖1 電子式電流互感器原理圖

1 結(jié)構(gòu)

1.1 激光供能系統(tǒng)

激光供能系統(tǒng)由低壓側(cè)和高壓側(cè)組成：低壓側(cè)為激光二極管及其驅(qū)動、保護(hù)和溫控電路，高壓側(cè)為光電轉(zhuǎn)換器（Photovoltaic power converter）和DC-DC變換器。在低壓側(cè)，激光二極管將電能轉(zhuǎn)換成光能后，通過光纖傳到高壓側(cè)；高壓側(cè)的光電池將接收到的光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)DC-DC變換后分別為高壓側(cè)的霍爾傳感器和電子電路供電。

激光供能系統(tǒng)所使用的主要器件如下：

1）激光二極管。選擇激光二極管的指標(biāo)是其輸出功率和壽命。前者決定了可以提供能量的大小，而后者決定了激光二極管的使用年限的長短?；谏鲜隹紤]，在本設(shè)計中選用美國 JDSU公司的PPM-2W 光電電源模塊，它將激光器和驅(qū)動電路集成在一起，可以根據(jù)需要靈活地調(diào)節(jié)輸出光功率，大約為1～2W，其壽命是大功率激光二極管中較高的。

2）光電池。除了壽命指標(biāo)外，光電池另一個重要的指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)美國 JDSU公司給出的指標(biāo)，該公司光電池的效率可以達(dá)到 30%～40%，因此，激光供電方式中選用該公司型號PPC-6E的光電池，輸出電壓6V，轉(zhuǎn)換效率在30%～40%之間。

3）DC-DC變換器。光電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓并不穩(wěn)定，DC-DC轉(zhuǎn)換器的作用是將光電轉(zhuǎn)換器輸出的電能進(jìn)行穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的+5V電壓（以下稱 5V線性穩(wěn)壓器），為高壓側(cè)電子電路供電；得到的穩(wěn)定+5V電壓再經(jīng)過 DC-DC模塊變換，得到+12V和?12V的電壓，為霍爾傳感器供電。線性穩(wěn)壓器的指標(biāo)包括輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓的紋波系數(shù)及輸出電流的大小等。其中，5V線性穩(wěn)壓器選用美國Texas Instruments公司的TPS79901芯片，設(shè)計電路如圖2所示，調(diào)節(jié)R7 R8的電阻值比例可以改變輸出電壓，它的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上（與輸入電壓大小有關(guān)），輸出波紋小于10mVpp，輸出電流可達(dá) 400mA。DC-DC模塊選用 MORNSUN America公司的 A_S-1WR模塊，輸入電壓范圍為4.5～5.5V，轉(zhuǎn)換效率約74%。

圖2 +5V線性穩(wěn)壓電路圖

1.2 高壓側(cè)調(diào)制電路的設(shè)計

高壓側(cè)調(diào)制電路包括霍爾傳感器、模擬信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊及高低壓測光纖通信電路。一次電流通過霍爾傳感器后變換成?4～+4V的電壓信號，經(jīng)模擬信號調(diào)理電路將雙極性信號調(diào)整到0到3.3V之間，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)RS232串口發(fā)送至電光轉(zhuǎn)換電路，通過光纖傳輸至低壓側(cè)的合并單元，從而完成模擬信號的采集與通信。下面針對霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、高低壓測的光纖通信進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1）霍爾傳感器

在實際運(yùn)行中，變壓器在正常狀態(tài)下中性點電流為很小甚至為零，既要保證小電流狀態(tài)下的測量精度，又能準(zhǔn)確的測量故障大電流。大部分電子式電流互感器使用空心線圈測量一次小電流時輸出信號太弱，存在測量精度死區(qū)，采用雙傳感器可以擴(kuò)大測量電流范圍，提高精度，但也增加了互感器硬件設(shè)計的冗余性。測量精度較高的霍爾傳感器可以克服上述缺點，霍爾傳感器是一種基于霍爾原理的新型電檢測元件，具有精度高、線性度好、體積小、重量輕、安裝方便等優(yōu)點。它可以測量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量，副邊電流忠實反應(yīng)原邊電流的波形，這是其他傳感器所無法比擬的。但由于霍爾傳感器需要供電，也增大了高壓側(cè)的功耗。本文中需要測量的一次原邊電流范圍為0～400A，選用IEFUL公司型號為CS500K的霍爾傳感器，線性度小于1%FS，原邊電路和副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓最高可達(dá)50KV，輸出?4～+4V的電壓信號。

2）模擬信號調(diào)理電路

由于 MSP430單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單極性 ADC，其輸入范圍為0～3.3V，而霍爾傳感器的輸出電壓為雙極性信號，為此設(shè)計了直流偏置電路，完成信號的極性轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)直流偏置可采用電阻分壓的方式，其電路形式如圖3所示。

圖3 模擬信號調(diào)理電路

該電路采用單電源供電，+5V的基準(zhǔn)電壓由激光供能系統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器提供，輸入和輸出的電壓關(guān)系有：Vout=0.37Vin+1.6。電阻分壓方式具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的特點，且允許幅值較大的雙極性模擬信號在板內(nèi)傳輸，在外界干擾一定的時候，提高了信噪比。

3）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊以超低功耗16位微處理器MSP430為控制核心，其內(nèi)置 ADC為 SAR型12位AD，工作于單通道多次轉(zhuǎn)換模式，采用P6.0口作為A/D輸入端，內(nèi)部電壓參考源選用系統(tǒng)供電電壓3.3V，通過控制采樣/轉(zhuǎn)換位ADC12SC來觸發(fā)ADC，采樣保持定時器用來設(shè)置采樣周期，使采樣數(shù)據(jù)能精確地還原正常波形。ADC12內(nèi)核接收到模擬信號輸入并具有轉(zhuǎn)換允許的相關(guān)信號之后便開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存放在轉(zhuǎn)換存儲寄存器 ADC12MEM 中，經(jīng)轉(zhuǎn)換為字符型符號后，經(jīng)RS232串口發(fā)送。A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送是采用串行數(shù)據(jù)的發(fā)送方式，與并行的數(shù)據(jù)發(fā)送方式相比，串行數(shù)據(jù)傳輸采用單根光纖完成低功耗發(fā)送，降低了發(fā)送電路的功耗和成本，且在傳輸距離不遠(yuǎn)、速率不是很低的情況下，選用UART最為合適。

4）高低壓測的光纖通信設(shè)計

為降低高壓側(cè)通信帶來的功耗，應(yīng)選用低功耗器件，建立高效率的光纖通信電路。Agilent公司的低功耗LED組件HFBR1414和HFBR2412可滿足上述要求，HFBR2412輸出直接與 TTL電平接口，方便與合并單元連接。波仕電子公司型號為OPT232-9的超小型無源RS232/光纖轉(zhuǎn)換器很好地將上述組件整合在一起，無需附加電源，通過RXD、TXD、GND三根線從 RS232串口取電并進(jìn)行通信傳輸，避免了實際應(yīng)用中可能存在的一些困難。由于采用光纖作為通信傳輸介質(zhì)，具有高隔離電壓、防電磁干擾、抗雷擊等優(yōu)點。

1.3 合并單元

合并單元主要完成同步、對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理的功能。在正確識別外部輸入的同步脈沖時鐘信號后，合并單元給各路A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號。在發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號后，合并單元將同時接收多路通道的輸出數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行有效性校驗及數(shù)據(jù)處理。對于接收到的來自高壓側(cè)的電子式電流互感器的數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)還原為實際電流值，繪制相應(yīng)的電流波形，記錄故障信息外等，部分界面截圖如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面截圖

2 性能測試

2.1 電磁兼容試驗

抗干擾是電子式電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),電磁兼容驗證設(shè)備在它的電磁環(huán)境下是否能滿意地運(yùn)行，且不對該環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生超過限值的電磁騷擾。本文采用的光電技術(shù)和更加穩(wěn)定的激光供電方式可以提高轉(zhuǎn)換電源的兼容性；通過信號調(diào)理與印刷電路板的特殊設(shè)計降低電磁干擾對測量精度的影響；系統(tǒng)安裝在屏蔽盒內(nèi)，減少與外界的接觸。電力線路、變壓器等在正常運(yùn)行或故障條件下會對周圍的電子電氣設(shè)備產(chǎn)生工頻磁場的干擾，將電子式電流互感器安裝在35kV變壓器接地電阻柜中試驗運(yùn)行，沒有發(fā)生故障。

2.2 準(zhǔn)確度測試

當(dāng)一次電流從額定電流（400A）的5%～120%變化（20～480A）時，電子式電流互感器測量通道的比差和角差如表1所示。從表1中可以看出，電子式電流互感器測量通道在5%～120%額定一次電流變化范圍內(nèi)比差和角差測量值滿足0.2級電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。

表1 35kV ECT準(zhǔn)確度測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文使用光電電源模塊為高壓側(cè)供電，霍爾傳感器作為傳感頭，以光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，研制了一臺電子式電流互感器，該電子式電流具有以下特點：

1）光電電源模塊作為高壓側(cè)的供電電源，具有電源能量供給穩(wěn)定，不受母線電流大小影響的優(yōu)點。

2）傳感頭使用霍爾傳感器，具有測量精度高、線性度好、測量范圍大、使用方便等優(yōu)點。

3）高壓側(cè)和低壓側(cè)分別采用電光變換和光電變換，以光纖連接兩端，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，絕緣成本降低。

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