電子式互感器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳國(guó)龍　邵國(guó)軍

摘 要：電子式互感器主要應(yīng)用于智能變電站當(dāng)中，其內(nèi)部并沒(méi)有鐵心，這樣的設(shè)計(jì)既能消除磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，同時(shí)還能夠使得頻率響應(yīng)范圍變寬，測(cè)量精度提高。電子式互感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以對(duì)在線運(yùn)行的電子式互感器內(nèi)部的各狀態(tài)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)視，以保證各參數(shù)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，盡早消除運(yùn)行設(shè)備發(fā)生重大故障的隱患，促進(jìn)電子式互感器的工程應(yīng)用，因而已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)。本文闡述了電子式互感器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案，并對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：電子式互感器；在線監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：TM45

互感器對(duì)于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著非常重大的影響，運(yùn)行過(guò)程中的各類信息均需要有互感器的參與。隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)所需的電壓等級(jí)以及電量也在不斷增加，電力系統(tǒng)中所安裝的傳統(tǒng)電磁式互感器已經(jīng)越發(fā)的不能夠滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。當(dāng)前電力系統(tǒng)互感器使用過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題主要有：（1）互感器的線性程度不高，而且動(dòng)態(tài)范圍較小，嚴(yán)重影響其使用性能。在實(shí)際使用過(guò)程中，較易出現(xiàn)磁飽和情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振的現(xiàn)象，這都非常影響計(jì)量效果。（2）電力系統(tǒng)中所安裝的傳統(tǒng)電壓互感器的二次回路不能夠出現(xiàn)短路現(xiàn)象，電流互感器不能夠出現(xiàn)開(kāi)路現(xiàn)象，一旦這兩種現(xiàn)象出現(xiàn)在正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)中時(shí)，就會(huì)對(duì)人員以及設(shè)備安全造成巨大的威脅。（3）模擬量非常容易受到外界環(huán)境中電磁的干擾，這就極大的限制了模擬量的傳輸距離，只能夠限制在一定范圍內(nèi)的模擬數(shù)據(jù)傳輸。此外，與數(shù)字電子設(shè)備的數(shù)據(jù)共享也非常麻煩，二者的連接接口之間存在著較明顯的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

最近幾年針對(duì)于傳統(tǒng)互感器所存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)有大量學(xué)者進(jìn)行了非常多的研究。這對(duì)于電子式互感器的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的理論研究支持。隨著智能電網(wǎng)、大區(qū)域大電網(wǎng)構(gòu)想的提出，越來(lái)越多的高科技電子設(shè)備應(yīng)用在了電力系統(tǒng)中，可用于高效、安全、遠(yuǎn)距離傳輸電網(wǎng)的電子式互感器已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的必須品。

電子式互感器概括起來(lái)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）消除了磁飽和以及鐵磁諧振的現(xiàn)象。因?yàn)閭鹘y(tǒng)電磁式互感器被測(cè)信號(hào)端與互感器的二次線圈之間是通過(guò)鐵芯進(jìn)行耦合的，這種設(shè)計(jì)難免會(huì)出現(xiàn)磁飽和以及鐵磁諧振的情況。所以，電子式互感器在結(jié)構(gòu)上就直接刪去了鐵芯，從產(chǎn)生的源頭上去除了磁飽和以及鐵磁諧振現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性。（2）大幅度提高了電力系統(tǒng)故障響應(yīng)速度。微機(jī)保護(hù)近幾年最明顯的發(fā)展內(nèi)容就是將暫態(tài)信號(hào)量作為了保護(hù)判斷參量。這種改變對(duì)于互感器的線性度以及動(dòng)態(tài)性能要求都非常職高，傳統(tǒng)的互感器根本無(wú)法滿足這一發(fā)展的需要。然而目前研究最為廣泛的電子式互感器就能夠達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)。（3）優(yōu)秀的絕緣功能。傳統(tǒng)互感器在絕緣結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)的較為復(fù)雜，而且電壓等級(jí)越高，對(duì)于互感器絕緣性能要求越高，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本也就越高。但是電子式互感器在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，相較于傳統(tǒng)互感器而言就要簡(jiǎn)單的多。高壓側(cè)與低壓側(cè)之間的信號(hào)傳輸通道所使用的是絕緣材料制作的光纖，很大程度上提高了電子式互感器的絕緣能力。（4）動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量精度高，頻率響應(yīng)范圍寬。傳統(tǒng)互感器因本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題所存在的磁飽和現(xiàn)象很大程度上限制了其動(dòng)態(tài)范圍，一個(gè)互感器想要既達(dá)到測(cè)量要求，同時(shí)又要滿足系統(tǒng)繼電保護(hù)的需要基本不大可能。然而電子式互感器的頻率范圍主要是由其電子線路設(shè)計(jì)來(lái)決定的，而且電子式互感器的頻率響應(yīng)范圍較寬。

本文所使用電子式互感器通過(guò)SF6氣體絕緣。由于在互感器內(nèi)充入了SF6氣體，因此一旦設(shè)備運(yùn)行，氣體的溫度與壓力將會(huì)受到影響，導(dǎo)致氣體的rε值、密度的變化，與互感器同軸的電容C也將產(chǎn)生波動(dòng)，直接影響對(duì)二次電壓的測(cè)量。因此系統(tǒng)需要對(duì)設(shè)備壓強(qiáng)以及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子式互感器將SF6氣體溫度、壓強(qiáng)信號(hào)以及采樣點(diǎn)路收集到的信號(hào)傳輸至AD轉(zhuǎn)換器，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，后將結(jié)果傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

本文所設(shè)計(jì)電子式互感器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層分布式多CPU結(jié)構(gòu)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布互感器數(shù)據(jù)的采樣、處理與傳輸。該系統(tǒng)可以分為三個(gè)層次：采集層、處理層、監(jiān)控管理層；系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于分布分層原理的，這樣可以使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分明、分布合理，能夠更好的安裝、使用、維護(hù)。此外，模塊化設(shè)計(jì)也使得整個(gè)系統(tǒng)在今后的升級(jí)過(guò)程中能夠表現(xiàn)優(yōu)越。

2.1 電流互感器的選擇。氣體的介質(zhì)損耗很小，一般在10-4數(shù)量級(jí)，必須使用精密的測(cè)量?jī)x器。針對(duì)于高壓環(huán)境下所使用的傳感器，必須具有較強(qiáng)的絕緣特性，BCT-2型零磁通穿心小電流傳感器就是針對(duì)高壓環(huán)境所設(shè)計(jì)研制的一種小電流傳感器。傳感器的鐵芯是使用坡莫合金制作的，這樣就可以提高傳感器的導(dǎo)磁率，同時(shí)降低損耗。為了能夠讓鐵芯工作在零磁通狀態(tài)，必須要對(duì)鐵芯進(jìn)行補(bǔ)償。這里使用深度負(fù)反饋技術(shù)以及相應(yīng)的屏蔽措施，來(lái)保證鐵性能夠全自動(dòng)得到補(bǔ)償。本文設(shè)計(jì)的傳感器工作在±12V或±15V電壓源下，所能夠檢測(cè)的工頻電流范圍是100μA-700mA，輸出電壓在0～10V（交流峰值）范圍內(nèi)，而且比差控制在±0.01%，角差≤0.01°。BCT-2具有極好溫度特性和電磁場(chǎng)干擾能力，完全滿足本系統(tǒng)在電磁干擾下，需要獲取的采樣精確度。因此本設(shè)計(jì)電流互感器選用BCT-2型零磁通穿心小電流傳感器。

2.2 溫度傳感器的選擇。溫度傳感器主要用于對(duì)電子互感器內(nèi)部的油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)并直觀的顯示在上位機(jī)上，用戶可以從溫度的角度來(lái)判斷故障與否。DS18B20數(shù)字溫度傳感器使用的是一線接口方式，也就是說(shuō)能夠通過(guò)一條接線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信功能。這樣就進(jìn)一步的簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感器結(jié)構(gòu)，在實(shí)際使用過(guò)程中，不需要再外加任何外部元件，只需要通過(guò)數(shù)據(jù)總線，就可以達(dá)到提供電源的目的。DS18B20的數(shù)字溫度計(jì)提供9至12位。

2.3 壓力傳感器的選擇。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，當(dāng)溫度在25℃時(shí)，1Pa的壓強(qiáng)對(duì)電容量的影響控制在2.5327×10-4pF的范圍內(nèi)。然而正常的工作環(huán)境氣體介質(zhì)的壓力在0.35MPa至0.5Mpa范圍內(nèi)，溫度在-25℃～+50℃之間，所以采用SMC18B壓力變送器即可滿足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備是一種干式陶瓷壓阻的表壓變送器，其在使用過(guò)程中精度較高，穩(wěn)定性好，而且具有抗過(guò)載沖擊、干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其性能指標(biāo)：供電電壓5V，工作溫度范圍-40℃～125℃，測(cè)量范圍0～0.5MPa，安全過(guò)載1MPa，爆破壓力2MPa，輸出電壓范圍0.5～4.5V，綜合測(cè)量精度0.25%。實(shí)際使用過(guò)程中測(cè)得，設(shè)備內(nèi)部壓強(qiáng)為0.3MPa時(shí)，輸出電壓2.9027V；內(nèi)部壓強(qiáng)為0.45MPa時(shí)，輸出電壓4.1260V。壓強(qiáng)的改變也會(huì)引起輸出電壓的變化，壓強(qiáng)每變化1Pa，輸出電壓就變化8.0×10-6V。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)。穩(wěn)定的電源模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提和必不可少的條件。對(duì)電源模塊要特別重視。LM317為三端可調(diào)的穩(wěn)壓器。在單相交流電進(jìn)過(guò)整形濾波后，用LM317可以得到1.25V～30V可調(diào)的電壓，最大工作電流為1.5A。

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)。檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示通過(guò)LCD1602液晶顯示器來(lái)完成。LCD1602通過(guò)P0口與單片機(jī)相接，在電路的連接時(shí)要注意，單片機(jī)的P0口需要有1k的上拉電阻才能實(shí)現(xiàn)它的輸入輸出口功能。通過(guò)上圖可以看出，本電路用8位的排阻與LCD1602相連接，液晶顯示器的顯示文字通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]白忠敏.電力用互感器和電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：102-103.

[2]凌子怒.高壓互感器技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004：153-154.