一種測量變壓器接地電阻電流的電子式電流互感器

2012-04-27 03:58:24趙旭彤肖登明

電氣技術 2012年10期

趙旭彤彭搏肖登明

（上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

在配網中，變壓器中性點接地電阻裝置，可以將變壓器中性點強制接地，并限制其故障電流，使繼電保護設備有足夠的時間進行監測，實現跳閘和備用切換，避免配電網和電氣設備遭到破壞。對變壓器接地電阻電流數值進行實時監測并將信息記錄，有助于對變壓器的運行狀態進行在線評估，為變壓器的狀態檢修提供依據積累運行狀態參數，為故障判斷、停電檢修提供依據。

本設計中，電子式電流互感器的高壓側存在電子電路，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相結合的新型電流測量設備，采用霍爾傳感器將一次被測電流變換成與之成線性關系的模擬電壓信號。由于在變電站的強電磁場環境下，同時為了降低電流互感器絕緣設計結構的要求，必須在高壓側轉換為數字信號通過光纖后傳輸到合并單元。因此，需要在高壓側引入信號調制電路，并提供相應的工作電源。采用激光供電的方式，具有電源能量供給穩定，不受母線電流大小影響的優點。整套有源電子式電流互感器測量裝置包括激光供能系統、高壓側信號調制電路和合并單元，原理圖如圖1所示。

圖1 電子式電流互感器原理圖

1 結構

1.1 激光供能系統

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

激光供能系統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。基于上述考慮，在本設計中選用美國 JDSU公司的PPM-2W 光電電源模塊，它將激光器和驅動電路集成在一起，可以根據需要靈活地調節輸出光功率，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。除了壽命指標外，光電池另一個重要的指標是光電轉換效率。根據美國 JDSU公司給出的指標，該公司光電池的效率可以達到 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，轉換效率在30%～40%之間。

3）DC-DC變換器。光電轉換器的輸出電壓并不穩定，DC-DC轉換器的作用是將光電轉換器輸出的電能進行穩壓得到穩定的+5V電壓（以下稱 5V線性穩壓器），為高壓側電子電路供電；得到的穩定+5V電壓再經過 DC-DC模塊變換，得到+12V和?12V的電壓，為霍爾傳感器供電。線性穩壓器的指標包括輸入電壓范圍、轉換效率、輸出電壓的紋波系數及輸出電流的大小等。其中，5V線性穩壓器選用美國Texas Instruments公司的TPS79901芯片，設計電路如圖2所示，調節R7 R8的電阻值比例可以改變輸出電壓，它的轉換效率可達80%以上（與輸入電壓大小有關），輸出波紋小于10mVpp，輸出電流可達 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，轉換效率約74%。

圖2 +5V線性穩壓電路圖

1.2 高壓側調制電路的設計

高壓側調制電路包括霍爾傳感器、模擬信號調理電路、數據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，經模擬信號調理電路將雙極性信號調整到0到3.3V之間，進入數據采集模塊進行A/D轉換，經RS232串口發送至電光轉換電路，通過光纖傳輸至低壓側的合并單元，從而完成模擬信號的采集與通信。下面針對霍爾傳感器、數據采集模塊、高低壓測的光纖通信進行詳細的介紹。

1）霍爾傳感器

在實際運行中，變壓器在正常狀態下中性點電流為很小甚至為零，既要保證小電流狀態下的測量精度，又能準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，采用雙傳感器可以擴大測量電流范圍，提高精度，但也增加了互感器硬件設計的冗余性。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，甚至對瞬態峰值的測量，副邊電流忠實反應原邊電流的波形，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50KV，輸出?4～+4V的電壓信號。

2）模擬信號調理電路

由于 MSP430單片機內置的模數轉換器的單極性 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，為此設計了直流偏置電路，完成信號的極性轉換。實現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 模擬信號調理電路

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

3）數據采集模塊

數據采集模塊以超低功耗16位微處理器MSP430為控制核心，其內置 ADC為 SAR型12位AD，工作于單通道多次轉換模式，采用P6.0口作為A/D輸入端，內部電壓參考源選用系統供電電壓3.3V，通過控制采樣/轉換位ADC12SC來觸發ADC，采樣保持定時器用來設置采樣周期，使采樣數據能精確地還原正常波形。ADC12內核接收到模擬信號輸入并具有轉換允許的相關信號之后便開始進行A/D轉換，轉換后的數字信號存放在轉換存儲寄存器 ADC12MEM 中，經轉換為字符型符號后，經RS232串口發送。A/D轉換的數據發送是采用串行數據的發送方式，與并行的數據發送方式相比，串行數據傳輸采用單根光纖完成低功耗發送，降低了發送電路的功耗和成本，且在傳輸距離不遠、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計

為降低高壓側通信帶來的功耗，應選用低功耗器件，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串口取電并進行通信傳輸，避免了實際應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，具有高隔離電壓、防電磁干擾、抗雷擊等優點。

1.3 合并單元

合并單元主要完成同步、對多路數據進行采集處理的功能。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轉換器發送同步轉換信號。在發送同步轉換信號后，合并單元將同時接收多路通道的輸出數據，對其進行有效性校驗及數據處理。對于接收到的來自高壓側的電子式電流互感器的數據，會將數據還原為實際電流值，繪制相應的電流波形，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鍵技術指標,電磁兼容驗證設備在它的電磁環境下是否能滿意地運行，且不對該環境中的其他設備產生超過限值的電磁騷擾。本文采用的光電技術和更加穩定的激光供電方式可以提高轉換電源的兼容性；通過信號調理與印刷電路板的特殊設計降低電磁干擾對測量精度的影響；系統安裝在屏蔽盒內，減少與外界的接觸。電力線路、變壓器等在正常運行或故障條件下會對周圍的電子電氣設備產生工頻磁場的干擾，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行，沒有發生故障。