基于磁傳感陣列模型的10kV開(kāi)關(guān)柜流溫復(fù)合參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鶴壁供電公司 秦福祥 李俊周 程夏威 宋曉磊

隨著智能電網(wǎng)工程的推進(jìn)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)配網(wǎng)中各設(shè)備及各環(huán)境的監(jiān)測(cè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有系統(tǒng)平臺(tái)顯示各傳感器單一數(shù)據(jù)，告警信息為單一設(shè)備狀態(tài)，所以當(dāng)出現(xiàn)告警信息時(shí)班組人員會(huì)第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)，但檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)往往無(wú)故障點(diǎn)、缺陷，長(zhǎng)時(shí)間多次的到現(xiàn)場(chǎng)，給工作帶來(lái)不必要的負(fù)擔(dān)。

一線人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)單一監(jiān)測(cè)雖然減輕了巡視工作、改變了巡檢模式，但因系統(tǒng)“虛告警”（虛假告警和短暫告警）也帶來(lái)一些麻煩，所以提出怎樣減少因“虛告警”（虛假告警和短暫告警）帶來(lái)巡檢次數(shù)的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)柜是在電力系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中進(jìn)行開(kāi)合、控制和保護(hù)用電設(shè)備，由于開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期在高電壓、大電流和滿(mǎn)負(fù)荷的條件下運(yùn)行[1]、斷路器與開(kāi)關(guān)柜之間一般都采用插頭連接，若發(fā)生長(zhǎng)期過(guò)載、接頭松動(dòng)、觸頭老化等，容易導(dǎo)致接觸電阻增大，可能發(fā)生觸頭升溫過(guò)高甚至燒毀等嚴(yán)重事故。因此對(duì)開(kāi)關(guān)柜電流和溫度進(jìn)行時(shí)鐘條件下高精度的測(cè)量，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及項(xiàng)目原理

開(kāi)關(guān)柜作為電網(wǎng)中的一環(huán)具有很重要的作用，需對(duì)其進(jìn)行定期運(yùn)維，但運(yùn)維存在誤操作等事故，因此需對(duì)其進(jìn)行一些輔助監(jiān)測(cè)來(lái)提高運(yùn)維的安全性，開(kāi)關(guān)柜常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法有監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度等，而電流和溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)其有很重要的作用。常規(guī)監(jiān)測(cè)電流的方法是通過(guò)開(kāi)關(guān)柜上的電流表進(jìn)行讀取。對(duì)于溫度一般采用的是紅外測(cè)溫儀，其帶有數(shù)據(jù)接口，可把實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)顯示和報(bào)警，也可在當(dāng)?shù)刂甘?。?yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度較高；缺點(diǎn)：價(jià)格偏貴，需要拉電源線、近距離可視安裝和停電安裝。

傳統(tǒng)大電流測(cè)量方式主要使用電磁式電流互感器測(cè)量電力系統(tǒng)電流，其體積大、高頻趨膚效應(yīng)顯著、頻率響應(yīng)不高，無(wú)法適應(yīng)信息化的要求[2]，Rogowski線圈具有精度高、測(cè)量范圍大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[3]，但由于成本較高、不能測(cè)量直流分量[4]，霍爾傳感器不能滿(mǎn)足測(cè)量范圍與精度的要求[5]。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，磁傳感器在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為電子測(cè)量領(lǐng)域和高水平控制系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。磁傳感器測(cè)量大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：最初為單傳感器測(cè)量，但不能區(qū)分被測(cè)電流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)和干擾磁場(chǎng)，精度不能滿(mǎn)足現(xiàn)在大型設(shè)備的需求；后來(lái)采用環(huán)形傳感器陣列，將磁傳感器環(huán)繞著母排周?chē)?，可極大地提高測(cè)量精度，但只適用于測(cè)量直流情形，不能滿(mǎn)足交流情形；現(xiàn)在利用磁傳感器陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)傳感器的輸出信息進(jìn)行合理分析處理，在排除干擾的同時(shí)建立磁場(chǎng)與電流的關(guān)系。

通過(guò)技術(shù)比較，以上方法都只能在站端進(jìn)行監(jiān)測(cè)溫度、電流，不能起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果、不能對(duì)故障進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此決定采用基于磁傳感陣列模型的開(kāi)關(guān)柜流溫復(fù)合參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中的導(dǎo)體電流和溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，避免對(duì)輸電線路造成影響以及安全隱患，且能有效去除測(cè)量過(guò)程中存在的干擾，確保測(cè)量精度，進(jìn)而使得測(cè)量參數(shù)精確指導(dǎo)電網(wǎng)的運(yùn)行。同時(shí)采用集成電路技術(shù)，將該裝置與無(wú)線溫度傳感器進(jìn)行集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電纜電流和溫度的雙參量監(jiān)測(cè)，在邊緣端提升了開(kāi)關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜的監(jiān)測(cè)能力，有效提升了電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。

為滿(mǎn)足變電站開(kāi)關(guān)柜電流測(cè)量高精度、低成本、易安裝、安全絕緣等特點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制一款低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾、分辨率高的TMR電流溫度二合一無(wú)線智能裝置?；赥MR傳感技術(shù)采集電流，同時(shí)實(shí)時(shí)采集接觸點(diǎn)溫度，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算平臺(tái)基于傳感器的陳列模型計(jì)算出相應(yīng)導(dǎo)線的電流值和溫度值。無(wú)線智能裝置由電池、電源管理單元、TMR電流傳感器、溫度傳感器、采集單元、微控制器和無(wú)線單元等構(gòu)成。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決難題與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2.1 搭建磁傳感器陣列模型，解決電纜三項(xiàng)互不干擾問(wèn)題

針對(duì)專(zhuān)有的變電站10千伏開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行環(huán)境搭建，與常規(guī)的單芯電纜或環(huán)網(wǎng)柜電纜情況不同，除要考慮電纜三項(xiàng)干擾外還應(yīng)該考慮母排干擾，解決電纜三項(xiàng)（A、B、C）互干擾問(wèn)題。

2.1.1 TMR電流傳感器[7]

電流傳感器是在電氣絕緣的狀態(tài)下，利用電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)電流值的一種介于高、低電壓之間的界面器件，其原理為：當(dāng)原邊導(dǎo)體中存在電流時(shí)，在導(dǎo)體的周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)繞導(dǎo)體的、與電流成比例的磁場(chǎng)。用磁傳感器檢測(cè)該磁場(chǎng)強(qiáng)度后，生成與電流成線性關(guān)系的電信號(hào)輸出——這就是最基本的開(kāi)環(huán)式電流傳感器，也被稱(chēng)為直測(cè)式電流傳感器。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)較弱或?yàn)榱艘种聘蓴_磁場(chǎng)時(shí)，可采用軟磁材料來(lái)聚集被測(cè)磁場(chǎng)，并將磁傳感器探入到軟磁材料內(nèi)部以增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。

通過(guò)技術(shù)比較，結(jié)合TMR電流傳感器的特性，采用推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，包含四個(gè)非屏蔽高靈敏度TMR元件，利用R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反這一特性。當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)R1、R2電阻變大而R3、R4電阻變小，這樣當(dāng)外加磁場(chǎng)沿垂直于芯片表面方向變化時(shí)，惠斯通全橋提供較大的差分電壓輸出。由于開(kāi)關(guān)柜每相母排在整個(gè)柜內(nèi)都產(chǎn)生磁場(chǎng)分布，對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)實(shí)際上是每相電流產(chǎn)生磁場(chǎng)在該點(diǎn)的矢量和。因此，為得到每相電流對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，需針對(duì)三相母排建立合理的電流測(cè)量磁傳感器陣列拓?fù)?，并從中解耦出每相電流?duì)應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，由此計(jì)算出該相電流的大小。

2.1.2 磁傳感陣列模型

開(kāi)關(guān)柜的三相母排可看成是平行的銅排，銅排與銅排間及銅排與磁傳感器間的位置關(guān)系可表示為圖1所示情況。以A相母排的截面左邊緣端點(diǎn)作為三維坐標(biāo)系統(tǒng)（x，y，z）的原點(diǎn)，假設(shè)每相母排的寬度為c、厚度為d，相鄰兩相母排間的距離為L(zhǎng)?？拷肯嗄概虐惭b磁傳感器，并假設(shè)每相對(duì)應(yīng)的磁傳感器到該相母排的距離為b，到該相母排左側(cè)邊緣的距離為a，因此a、b兩個(gè)參數(shù)決定了磁傳感器陣列拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。母排間的間距L、各相母排的實(shí)際寬度d以及厚度可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)關(guān)柜測(cè)量得出。

圖1 平行磁傳感器陣列拓?fù)?/p>

應(yīng)用磁傳感器測(cè)量電流的基本前提是磁場(chǎng)的線性和疊加性，包括空間上和頻率上的線性疊加性?？臻g上的線性疊加性是指電流在空間內(nèi)指定一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的強(qiáng)度成線性關(guān)系，而且對(duì)于多相電流，該點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是各相電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度在該點(diǎn)的矢量疊加。頻率線性是指對(duì)于空間內(nèi)的指定點(diǎn)，特定頻率電流在該點(diǎn)的磁感應(yīng)系數(shù)為某一特定值。對(duì)于已知頻率和相位的電流，在特定點(diǎn)處產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)與其同頻同相，即該特定點(diǎn)處的磁場(chǎng)為給定電流各頻率分量在該點(diǎn)感生磁場(chǎng)的疊加。

在頻率較低及電網(wǎng)諧波干擾較小的情況下，可只考慮電流信號(hào)的基波分量，并且忽略磁場(chǎng)的延遲效應(yīng)以及渦流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，傳感器電壓和三相電流關(guān)系如式（1），式中C(式2)為磁傳感器電流測(cè)量的感應(yīng)系數(shù)矩陣，其具體數(shù)值通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。采用逐相單獨(dú)通電流采集三相磁傳感器的輸出，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的感應(yīng)系數(shù)。例如先對(duì)A相母排進(jìn)行單獨(dú)通電，B、C兩相斷開(kāi)，根據(jù)三相磁傳感器的電壓輸出信號(hào)可計(jì)算出c11、c12、c13的值。由同樣的實(shí)驗(yàn)方法分別計(jì)算出另外兩組向量的值，最后得到系數(shù)矩陣C的值。

2.2 搭建TMR電流傳感器數(shù)學(xué)仿真模型，對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析

TMR電流傳感器陳列模型與應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，在單相電流檢測(cè)中磁場(chǎng)分布相對(duì)簡(jiǎn)單，在多相電流檢測(cè)中磁場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算平臺(tái)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的傳感器數(shù)學(xué)模型，將提取的傳感器的信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合分析，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電流值。在常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)柜電流測(cè)量中開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，涉及多相電流采集，為研究交直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在整個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的分布情況，利用ANSYS對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)磁場(chǎng)分布提出相關(guān)的交直流測(cè)量數(shù)學(xué)模型，計(jì)算平臺(tái)通過(guò)采集的電流數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算出電流值，進(jìn)而驗(yàn)證TMR電流傳感器數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)TMR輸出電壓值進(jìn)行電流計(jì)算，得到高壓開(kāi)關(guān)柜三相母排電流值。將得到的電流值與實(shí)際電流值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果說(shuō)明測(cè)量得到的電流值與實(shí)際電流值十分接近。經(jīng)過(guò)計(jì)算，A，B，C三相側(cè)的電流與實(shí)際電流的絕對(duì)誤差值分別為1.96A，4.93A，2.34A。最大幅值誤差為4.93A/1200A×100%=0.42%＜1%，符合測(cè)量要求。

2.3 開(kāi)關(guān)柜流溫復(fù)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于電力系統(tǒng)中存在大量不確定的潛伏性故障，特別是在比較復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)，由于其運(yùn)行線路復(fù)雜，線路故障情況多樣，給檢修人員進(jìn)行故障定位造成了困難。從目前單一監(jiān)測(cè)量往往很難診斷故障做出正確定位，甚至?xí)霈F(xiàn)“虛警”現(xiàn)象，帶來(lái)不必要的麻煩。因此需通過(guò)總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及整合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多種傳感器的多種不同參量的基礎(chǔ)上，綜合分析各監(jiān)測(cè)內(nèi)容，經(jīng)多參量比對(duì)法結(jié)合電力經(jīng)驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)“虛告警”的正確判斷?；诖诵畔?，采用集成設(shè)計(jì)工藝實(shí)現(xiàn)電纜電流和溫度兩個(gè)傳感器的集成設(shè)計(jì)。打破傳統(tǒng)的電纜通過(guò)磁取電和磁測(cè)電流或溫度的單一設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了電纜電流和溫度的復(fù)合參量集成應(yīng)用，從而解決了單一監(jiān)測(cè)量引起的“虛告警”巡視次數(shù)，為工作人員減負(fù)，減少了人力物力。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

該裝置已在鶴壁海河站10千伏開(kāi)關(guān)柜得到應(yīng)用，通過(guò)后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，免去了人工巡檢所帶來(lái)的人力物力的消耗以及人工巡檢進(jìn)入帶電區(qū)域的不安全性，提升了開(kāi)關(guān)柜巡視（讀取電流、測(cè)量溫度）的工作效率，節(jié)省了人力、財(cái)力。保障了開(kāi)關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度減少開(kāi)關(guān)柜因負(fù)荷分配不均導(dǎo)致電流過(guò)大引起火災(zāi)事故，避免造成大面積停電事件，影響人民的生產(chǎn)和生活。實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)符合國(guó)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)要求，為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的全壽命周期以及精益化管理提供了數(shù)據(jù)支持。保障了開(kāi)關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)，符合國(guó)網(wǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)要求。大幅度減少開(kāi)關(guān)柜因負(fù)荷分配不均導(dǎo)致電流過(guò)大引起火災(zāi)的事故，避免造成大面積停電事件，影響人民的生產(chǎn)和生活。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)磁傳感陣列模型的開(kāi)關(guān)柜流溫復(fù)合參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中的導(dǎo)體電流和溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，避免對(duì)輸電線路造成影響以及安全隱患，而且能夠有效去除測(cè)量過(guò)程中存在的干擾，確保測(cè)量精度，進(jìn)而使得測(cè)量參數(shù)精確指導(dǎo)電網(wǎng)的運(yùn)行。同時(shí)，采用集成電路技術(shù)，將該裝置與無(wú)線溫度傳感器進(jìn)行集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電纜電流和溫度的雙參量監(jiān)測(cè)，在邊緣端提升了開(kāi)關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜的監(jiān)測(cè)能力，有效提升了電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。