數(shù)字化全量程CT在避雷器監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用分析

毛 興，何 彪，王澤朗

（南方電網(wǎng)曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 引 言

氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡寫為MOA，在當(dāng)今國家電網(wǎng)建設(shè)中一直發(fā)揮著重要作用。但是，MOA長期暴露在戶外，會(huì)受到雷電沖擊，導(dǎo)致其在使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重老化的現(xiàn)象。為了能夠延長氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命，研制一款穿心式微小電流智能互感器顯得尤為重要。此類智能型互感器能夠在測(cè)量電氣絕緣強(qiáng)度的過程中發(fā)揮重要作用。

1 研究背景

雖然氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電網(wǎng)建設(shè)過程中發(fā)揮了作用，但是在使用過程中經(jīng)常因接觸雷電而受到損壞，并且經(jīng)常出現(xiàn)老化現(xiàn)象。因此，多數(shù)氧化鋅避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命較短。由此看來，需要將一類智能線圈加入到氧化鋅避雷器內(nèi)部，只有這樣才能提高氧化鋅避雷器的質(zhì)量。但是，單一的互感器不能夠充分發(fā)揮作用，必須將兩個(gè)互感器結(jié)合才能發(fā)揮更大的作用。

2 零磁通電流互感器和羅氏線圈概述

2.1 零磁通電流互感器

零磁通電流互感器常應(yīng)用于氧化鋅避雷器，但其內(nèi)部的鐵心不存在磁性，只有將一個(gè)互感器疊加在主互感器上，才能在使用過程中提供反電動(dòng)勢(shì)[1]。只有在這樣的環(huán)境下，才能在不需要主互感器提供磁通的基礎(chǔ)上全面提供電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)零磁通。此方案經(jīng)常被稱為電動(dòng)勢(shì)零磁通補(bǔ)償，最大的優(yōu)勢(shì)是在不存在外部電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)勢(shì)全面補(bǔ)償。本文所設(shè)計(jì)的電流互感器已經(jīng)達(dá)到了0.2級(jí)別的精度，電流值為10 μA。

2.2 羅氏線圈

導(dǎo)線在具有非磁性材料的骨架上繞成一個(gè)線圈，就是常見的羅氏線圈。這種線圈不僅重量非常輕，而且結(jié)構(gòu)簡單，使用過程中不會(huì)存在磁飽和的現(xiàn)象，且輸出功率較低。到目前為止，羅氏線圈已經(jīng)成為在不同場合都能使用的敏感器件。本文將羅氏線圈和零磁通電流互感器相互結(jié)合，共同操作，并將精度確定為0.4級(jí)。

2.3 兩個(gè)線圈相結(jié)合

如果單一運(yùn)用某一個(gè)線圈不能夠發(fā)揮相應(yīng)作用，只有將零磁通技術(shù)和羅氏線圈相結(jié)合，才能達(dá)到最佳效果。值得注意的是，一定要將兩個(gè)線圈設(shè)計(jì)在同一個(gè)金屬殼體內(nèi)部，充分運(yùn)用內(nèi)部的ARM7和CPU部件進(jìn)行采集和傳輸。通過這樣一個(gè)過程的加工，往往能夠形成新型數(shù)字化電流互感器。此時(shí)，兩個(gè)相互融合的傳感器可以從外部接入電源管理模塊，與數(shù)據(jù)處理模塊和氣象處理模塊合并后，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器內(nèi)部[2]，而用戶可以通過服務(wù)器中的相關(guān)上位機(jī)軟件訪問網(wǎng)站。最常見的羅氏線圈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖1全面顯示了氧化鋅避雷器的整體結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)主要由電流互感器、數(shù)據(jù)單元、氣象模塊和其他主要部分組成，全程采用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)全面控制，有效采集與MOA回路相關(guān)的電流信號(hào)。內(nèi)部存在的CPU系統(tǒng)可以在運(yùn)作過程中有效采用傅里葉變換算法，全面分析系統(tǒng)內(nèi)部的220kV和500kV高壓電路。

圖1 羅氏線圈主要結(jié)構(gòu)

整個(gè)框架系統(tǒng)包括沖擊電流峰值、沖擊類型、沖擊次數(shù)和各種類型的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以經(jīng)過總線結(jié)構(gòu)到達(dá)規(guī)定的數(shù)據(jù)單元內(nèi)部，能夠提高氧化鋅避雷器運(yùn)行的安全性和可靠性。內(nèi)部單晶硅太陽能面板與鋰電池相互結(jié)合后，能在運(yùn)行過程中發(fā)揮更大的作用。另外，需要根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理配置太陽能面板的功率，并及時(shí)調(diào)整鋰電池的容量，使系統(tǒng)永遠(yuǎn)保持一個(gè)較好的工作狀態(tài)。

4 無源零磁通電流互感器的原理

實(shí)際操作過程中，通過采用分路短路的原理可以有效補(bǔ)償比差和角差。如果磁分路鐵內(nèi)部的截面積顯著加大，那么短路的匝數(shù)會(huì)隨之增多，短路匝中的負(fù)荷也會(huì)增大，所有的磁分短路匝在使用的過程中就會(huì)形成一個(gè)輔助電流互感器。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能與鐵芯內(nèi)部有著密切關(guān)系。通過分析電動(dòng)勢(shì)和磁通之間的關(guān)系可以得出如下結(jié)論：如果電動(dòng)勢(shì)能在一瞬間降低到零點(diǎn)，則磁鐵內(nèi)部的鐵芯值為零，達(dá)到零磁通狀態(tài)。

互感器在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生諸多誤差，全面輔助線圈，保證處于主要地位的線圈不會(huì)產(chǎn)生任何損耗，從而提高測(cè)量精度。次級(jí)和初級(jí)的電流比值與額定電流相同，但內(nèi)部相位約有180°的誤差。從實(shí)際發(fā)展過程來看，次級(jí)電流能夠在第一時(shí)間反映電流的大小和位置。

5 羅氏線圈原理

羅氏線圈中輸出電壓與被測(cè)電流的變化率為：

其中，M表示感應(yīng)過程中電壓和被測(cè)電流之間的比例系數(shù)，i表示被測(cè)電流。羅氏線圈運(yùn)作過程中可以先經(jīng)過輸出信號(hào)到達(dá)頂峰值，再獲取采樣電路。而沖擊電流產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)直接傳送MCU值，并計(jì)算沖擊電流在使用過程中的最高值。經(jīng)系統(tǒng)驗(yàn)證，1～150kA的8/20 μs沖擊波的精確度能夠達(dá)到0.5級(jí)。

6 一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

將零磁通線圈和羅氏線圈結(jié)合后，通過Cortex-M3全面處理CPU信息，并全面輸出信號(hào)，保證整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行[3]。從外觀來看，整個(gè)外殼由不銹鋼材質(zhì)組成，表面做噴塑處理，內(nèi)部融入環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封處理，能夠滿足系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需求。如果將零磁通線圈和羅氏線圈充分結(jié)合后，一體化結(jié)構(gòu)將具有如下優(yōu)勢(shì)：第一，在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)，線段可塑性較好，輸出信號(hào)的形狀不會(huì)發(fā)生較大改變；第二，輸出信號(hào)之間的比值差較小，內(nèi)部差值較為穩(wěn)定，所有的數(shù)值都不會(huì)隨著溫度的變化而不斷變化；第三，所有線圈輸出信號(hào)的電磁兼容性較好。

7 結(jié) 論

本文研制的一體化互感器克服了設(shè)備使用過程中接地回路造成的影響，整體安裝調(diào)試過程更加方便，使用壽命更長，能夠在國家電網(wǎng)中發(fā)揮更大作用。