基于電阻取樣法測量變壓器中性點直流電流的傳感器設計與應用

童 歆，全江濤，徐 菁，夏 天，王 亮

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000；3.武漢新電電氣技術有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)供電負荷急劇增加，直流輸電具有輸送容量大、損耗小、無交流輸電穩(wěn)定性問題的制約等優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用[1-4]。當直流輸電系統(tǒng)單極運行或雙極不平衡運行時，大量直流電流通過接地極注入大地。交流輸電系統(tǒng)通過接地變壓器的中性點、輸電線路及架空地線與大地構成并聯(lián)回路，會對直流入地電流進行分流，因此，可能使交流輸電系統(tǒng)流經數(shù)十安培的直流電流，嚴重影響變壓器安全穩(wěn)定運行[5-8]。

變壓器中性點直流電流是引起變壓器噪聲增大、振動加劇、電壓波形畸變和變壓器局部過熱的直接原因，監(jiān)測變壓器中性點直流電流，能夠直接真實地反映變壓器運行狀況，有助于判斷變壓器是否發(fā)生直流偏磁，為變壓器直流偏磁預警提供實測數(shù)據[9-12]。傳統(tǒng)測量變壓器中性點電流采用霍爾傳感器，但是霍爾傳感器溫度特性差，信號輸出與環(huán)境溫度變化無對應關系，不具備修正手段。閉環(huán)式霍爾傳感器不能在變壓器帶電的情況下進行安裝；開環(huán)式霍爾傳感器在安裝上存在很大便利，但在小電流測試時，輸出信號零漂很大，電流測量準確度及穩(wěn)定性得不到保證[13-16]。

本文基于電阻取樣法測量原理，設計一種溫度特性良好、測量精度高和工作穩(wěn)定性好的直流傳感器，測量變壓器中性點直流電流，以便實現(xiàn)對分布在各個地方的變壓器直流偏磁電流進行實時、動態(tài)的監(jiān)測。

1 直流傳感器設計原理

變壓器正常運行工作狀態(tài)下，必須保持中性點可靠接地，不便于在中性點安裝穿芯式閉環(huán)霍爾傳感器。為了避免變壓器停電帶來的經濟損失，本文根據變壓器中性點引下線的接地扁鋼尺寸（如表1所示），計算所需截取的合適長度，選阻值為1 mΩ的扁鋼作為標準電阻。若現(xiàn)場條件不允許，則取扁鋼長度的最大值，以減少測量誤差。由于只需測量引下線中的直流電流，不需要考慮接地扁鋼的電感，那么通過監(jiān)測標準電阻兩端的電壓，利用歐姆定律，即可測量變壓器中性點引下線中的直流電流。由于取樣電阻工作環(huán)境溫度變化大，還需要考慮環(huán)境溫度對取樣電阻的影響，進行相應的溫度校正，如下式所示。

其中，I為變壓器中性點引下線中的直流電流；R為溫度t時標準接地扁鋼電阻；R0為溫度t0時標準接地扁鋼電阻；U為標準電阻兩端電壓；k為電阻溫度系數(shù)。

表1 1 mΩ接地扁鋼尺寸Table 1 Size of different 1 mΩgrounding steels

為確保直流傳感器測量的精確度，必須準確測量截取的標準電阻值，在現(xiàn)場施工時采用如下方法對標準扁鋼的電阻值進行標定，現(xiàn)場標定原理圖如圖1所示。

圖1 基于電阻取樣法的直流傳感器測量原理Fig.1 Measuring principle of DC sensor based on resistance sampling method

第1次測量不加恒流源，測量扁鋼端電壓為U1，那么：

其中，I0為流過待測電阻初始電流；Rx為待測電阻標準電阻兩端電壓。

然后在同等條件下加恒流源Is進行第2次測量，此時該段扁鋼上通過電流為I0+Is，測得扁鋼端電壓為 U2，那么：

由式（1）和式（2）可得：

該電阻標定系統(tǒng)能輸出1 A和2 A這2檔直流電流，將標準電阻R（阻值為1.002 mΩ）接入該電阻標定系統(tǒng)，在不同測試電流下測量標準電阻阻值，測量結果如表2所示。不同測試電流時，測量結果都會受采樣精度和A/D轉換精度的影響，引入一定的測量誤差，呈現(xiàn)上下浮動的趨勢。試驗中可以通過多次測量求取平均值的方法減小測量誤差。由表2可以看出，該電阻標定系統(tǒng)在2個檔位的測量誤差小于1%，滿足現(xiàn)場測量要求，能夠用于現(xiàn)場取樣電阻阻值的標定。

表2 電阻標定系統(tǒng)測試數(shù)據Table 2 Test data of resistance calibration system

2 測量系統(tǒng)設計

變壓器中性點直流電流測量系統(tǒng)是基于ARM7嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的，采用STM32系列的處理芯片，具有運算速度快、功耗低、功能擴展便捷等優(yōu)點，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該測量系統(tǒng)測量取樣電阻兩端的電壓，對其進行濾波、放大處理，并利用A/D轉換器將模擬信號轉化為數(shù)字信號，便于微處理器的數(shù)值計算。同時，測量傳感器工作環(huán)境溫度，對測量結果進行溫度補償，提高直流電流測量精度。

圖2 測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring system

變壓器中性點電流不僅包括直流電流，還包含工頻電流信號。運算放大器放大直流電流信號的同時，也會放大交流信號，從而導致測量結果偏差較大。因此測量直流電流時，需要將交流信號濾除，提高測量系統(tǒng)的共模抑制比。本文摒棄傳統(tǒng)的軟件濾波的方式，避免數(shù)字濾波引入的測量誤差，采用雙積分型A/D轉換器，從硬件上濾除交流信號，較大程度地抑制模擬通道引入的共模干擾，其基本電路圖如圖3所示。

圖3 雙積分型A/D轉換電路圖Fig.3 Conversion circuit of dual-integral A/D

雙積分型A/D轉換器由積分器、過零比較器、計數(shù)器和時鐘脈沖等組成。

轉換器的核心部分是積分器，定時信號控制它的輸入端所接開關S1。當為不同電平時，極性相反的輸入電壓U1和參考電壓Uref，將分別加到積分器的輸入端，進行2次方向相反的積分，積分時間常數(shù)τ=RC。

過零比較器的作用是確定積分器的輸出電壓U0過零的時刻。當U0＞0時，比較器輸出Uc為低電平；當U0≤0時，Uc為高電平。比較器的輸出信號接至時鐘控制門作為關門和開門的信號。

計數(shù)器是由n+1個接成計數(shù)器的觸發(fā)器FF0—FFn串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0—FFn-1組成n級計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖CP計數(shù)，以把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉變?yōu)閿?shù)字信號輸出。當計數(shù)到2n個時鐘脈沖時，F(xiàn)F0—FFn-1均回到0態(tài)，而FFn翻轉到1態(tài)，Qn=1后開關S1從位置①轉接到②。

時鐘脈沖源作為測量時間間隔的標準時間，它的標準周期為Tc。門打開時，時鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器FF0的輸入端。信號調理電路選用積分式模數(shù)轉換芯片，使積分時間等于工頻周期。若信號中含有工頻和直流混合信號，那么，工頻信號經過1個周期積分后為0，從而只對直流信號進行轉換，如圖4所示。

圖4 信號調理原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning

3 直流傳感器實驗室測試

3.1 溫度對直流傳感器的影響

直流傳感器長期在戶外工作，溫度變化范圍廣，研制直流傳感器時必須考慮環(huán)境溫度對直流傳感器性能的影響。選取一段標準扁鋼，放入高低溫箱，在-30～80℃范圍內，測量標準扁鋼的電阻值，其測試結果如表3所示。

表3 不同溫度下的電阻值Table 3 Resistance under different temperatures

由表3可以看出，標準扁鋼電阻對溫度比較敏感，隨溫度的增加而增大。將不同溫度下標準扁鋼電阻測量值繪制成曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，在-30～80℃范圍內，標準扁鋼電阻測量結果一致性較好，其電阻值與溫度基本呈線性關系。對試驗數(shù)據進行線性擬合，其擬合公式如式（6）所示，線性相關系數(shù)為99.45%。

其中，Rsa為溫度t時的取樣電阻。

圖5 標準扁鋼電阻阻值與環(huán)境溫度的關系Fig.5 Relationship between standard grounding steel resistance and environmental temperature

在實際測量電流時必須考慮溫度對測量結果的影響，因此在測試系統(tǒng)中裝設有溫度傳感器，實時監(jiān)測直流傳感器的工作環(huán)境溫度，并根據該溫度特性曲線，對實際電流測量結果進行溫度線性校正補償。

為比較不同類型直流傳感器工作性能，實驗回路中通過恒定的5 A直流電流，在30℃時對閉環(huán)霍爾傳感器和鉗形霍爾傳感器進行校準。然后將這2種穿芯式霍爾傳感器和所設計的傳感器放入高低溫箱，在-40～80℃溫度范圍內測量標準5 A直流電流，實驗結果如圖6所示。

圖6 不同直流傳感器溫度特性曲線Fig.6 Temperature characteristic curve for different DC sensors

由圖6可以看出，本文設計的直流傳感器根據環(huán)境溫度校正后，在不同溫度下測量結果一致性較好，測量誤差小于2%。閉環(huán)霍爾傳感器和鉗形霍爾傳感器溫度特性都不理想，溫漂較為嚴重，測量最大誤差分別為44.4%和16.2%，并且不便于在線對其測量結果進行校正；當傳感器工作環(huán)境溫度變化較大時，嚴重影響它們的測量精度。

綜合比較本文設計的電阻型直流傳感器和霍爾傳感器可知，雖然霍爾傳感器經過校準以后，在校準溫度附近測量性能良好，但當環(huán)境溫度變化范圍較大時，其測量線性度不一致，而且很難在線對霍爾傳感器進行校準。本文設計的直流傳感器電阻值隨環(huán)境溫度變化較大，但其電阻與環(huán)境溫度基本呈線性關系，容易利用溫度校正曲線對其測量結果進行校準，適合長期戶外運行。同時，電阻型直流傳感器安裝簡單易行，能夠帶電安裝，避免變壓器停電或者更改運行方式。

3.2 直流傳感器測量精度試驗

為了檢驗直流傳感器測量精度，將直流傳感器和標準電阻串聯(lián)接入試驗回路，如圖7所示。試驗回路中，標準電阻R的電阻值為1.002 mΩ；電壓表為Agilent高精度數(shù)字電壓表；通過測量標準電阻兩端的電壓，利用歐姆定律，能夠精確測量試驗回路中的直流電流。

直流恒流源輸出-80～-1 A和1～80 A直流電流時，直流測量系統(tǒng)測試結果如表4所示。由表4可以看出當測試電流大于10 A時，直流電流測量誤差小于2%；當測試電流小于10 A時，直流電流測量誤差小于0.2 A。直流恒流源輸出標準電流1 A、10 A和50 A時，直流測量系統(tǒng)測試結果如表5所示。由表5看出，每次測試結果不完全相同，存在一定的波動。通過多次測量，求取平均值的方法，能夠減小測量誤差。

圖7 直流傳感器精度測量試驗電路示意圖Fig.7 Schematic diagram of DC sensor precision test circuit

表4 標準電流單次測量結果Table 4 Results of single-measuring test for different standard currents

表5 標準電流重復測量結果Table 5 Results of multiple-measuring test for different standard currents

直流電流測量誤差主要是由取樣電阻的兩端電壓測量誤差和電阻值測量誤差組成。該測試系統(tǒng)測量取樣電阻電壓時采用A/D轉換，便于后臺數(shù)值計算，但在A/D轉換過程中，由于A/D轉換器本身性能的原因，會使得電壓測量引入一定的誤差，從而導致直流電流測量誤差。

4 本文傳感器現(xiàn)場應用

湖北電網的直流換流站主要分布在宜昌地區(qū)，直流換流站附近220 kV交流變電站和500 kV交流變電站數(shù)量眾多，當直流換流站單極運行或者雙極不平衡運行時容易使交流變電站中性點產生直流電流?，F(xiàn)將直流在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的測量采集裝置安裝于宜昌地區(qū)部分220 kV和500 kV變電站，其中500 kV變電站包括安福寺變電站，220 kV變電站包括猇亭變電站、楊家灣變電站、郭家崗變電站、長坂坡變電站、遠安變電站、顧家店變電站、枝江變電站。

某年1月18日至1月19日，湖北某換流站極I正在單極運行，附近的220 kV變電站A的1號主變和220 kV變電站B的2號主變安裝的直流電流在線監(jiān)測裝置檢測到變壓器中性點直流電流異常后，準確測量了直流電流幅值，并記錄了直流電流波形，如圖8所示。由圖8可見，變壓器中性點直流電流基本穩(wěn)定，幅值變化較小，偶爾出現(xiàn)的電流脈沖是由于現(xiàn)場存在干擾信號，可忽略不計。

圖8 中性點直流電流測量結果Fig.8 Results of neutral DC current measuring

通過對監(jiān)測數(shù)據分析可知，變電站A和B的2臺主變高壓側中性點監(jiān)測到的入地電流與安裝傳感器時規(guī)定的正方向一致。由圖8可以看出某換流站的電流負荷白天大、晚上小，一般在 08∶00—09∶30 和21∶00—22∶30左右發(fā)生顯著變化。某換流站單極運行負荷不同時，直接影響變電站A和B變壓器中性點直流電流幅值，如表6所示。由表6可見，變電站B距離某換流站比變電站A近，其變壓器中性點直流電流略大，但負荷波峰和波谷時的直流電流比值與變電站A一致，均約為1.7，該值只與直流換流站單極運行負荷有關。

表6 變電站A和變電站B在不同時刻的變壓器中性點直流電流Table 6 Measured neutral DC currents of transformer at different times for substation A and B

5 結論

a.基于特征電阻取樣的方法，設計了測量變壓器中性點直流電流的直流傳感器，該直流傳感器便于變壓器不停電安裝，幾乎不受工作環(huán)境溫度的影響，能實現(xiàn)對變壓器中性點直流電流實時監(jiān)測，并在線進行校準。

b.設計了雙積分型信號硬件調理電路，消除了數(shù)字濾波引入的誤差，提高了所設計的直流傳感器的交流諧波信號的共模抑制比，確保測量的準確性。

c.設計的直流傳感器能夠測量-80～-1 A和1～80 A直流電流，當測試電流大于10 A時，測量誤差小于2%；當測試電流小于10 A時，測量誤差小于0.2 A?，F(xiàn)場實際應用效果表明，該直流傳感器能夠長期穩(wěn)定運行，準確記錄變壓器中性點直流電流的幅值和波形，滿足實時長期監(jiān)測變壓器中性點直流電流的要求。