計(jì)量電流互感器二次回路在線監(jiān)測技術(shù)研究

曹 宇

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局）

0 引言

針對目前電流互感器二次回路難以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的難題，本文擬利用電流互感器的10kHz阻抗特性，研究電流互感器二次回路的10kHz阻抗特性，并將其與環(huán)境溫度和二次電流相結(jié)合，進(jìn)行二次回路的10kHz阻抗特性的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對二次系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。從變流器變比、環(huán)境溫度和二次電流三個(gè)方面對所提出的技術(shù)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。與其他技術(shù)方案相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：該技術(shù)是利用小型互感器將10kHz的信號注入到二次回路中，從而實(shí)現(xiàn)對二次回路的直接監(jiān)控。該技術(shù)具有精確度高、實(shí)時(shí)性好、技術(shù)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還能有效地避免50Hz的工作頻率，不影響測量結(jié)果，并能實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測。同時(shí)，對環(huán)境溫度和二次電流的影響也不大。

1 裝置研制

1.1 微型互感器組

采用一種新型的微型互感器，實(shí)現(xiàn)了對電流的輸入和測量。高頻訊號處理部用以執(zhí)行激發(fā)訊號的驅(qū)動及回應(yīng)訊號的處理。其中，向量運(yùn)算與狀態(tài)辨識部分完成了回路阻抗的運(yùn)算與回路的狀況辨識［1］。高頻激發(fā)訊號為10kHz，避免了50Hz的工作頻段，既保證了二次回路正常工作，又不會對測試的準(zhǔn)確性造成影響。將Ug0與Ug2區(qū)別開來，分別用作注射電壓信號。

由PT、CT構(gòu)成的微型互感器組是互感器二次在線監(jiān)控的核心部件，其磁心的選取對互感器群的運(yùn)行有很大影響，當(dāng)前常用的鐵心材質(zhì)有硅鋼片、斜莫合金、鐵氧體和超微晶等。

1.2 高頻信號處理單元

當(dāng)初始相對磁導(dǎo)率為1000的時(shí)候，硅鋼板的飽和磁密能達(dá)到2T，工作頻率只有400Hz；坡莫合金具有800多萬的起始相對磁導(dǎo)率，工作頻率可達(dá)8kHz左右，其飽和磁密度只有0.5T左右；該鐵氧體具有良好的頻率性能，可以達(dá)到1MHz，但是其磁導(dǎo)率并不高，初始的相對磁導(dǎo)率只有2000，并且其飽和磁密度很低，通常低于0.5T；結(jié)果表明：該超晶體具有良好的頻譜特征，在100kHz左右，飽和磁性密度在1.2T左右，初期相對磁導(dǎo)率在50000左右。總的來說，由于超微晶材料的各種特性相對平衡，并且考慮到成本、材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性等因素，所以microPT和microCT都選擇了超微晶材料。

由于二次回路的輸出是mV～μV，與二次電流相比很弱，所以在二次回路中，如何從系統(tǒng)的噪音中抽取出10kHz的頻率是一個(gè)關(guān)鍵問題。在探測電路中，使用了一個(gè)前級放大電路和一個(gè)四階巴特沃斯高通濾波電路，采用放大器與濾波器相結(jié)合的方式對檢測線路進(jìn)行了信號處理。四階巴特沃斯高通濾波電路濾波器的截止頻率為5kHz，放大倍數(shù)為25倍，對工作信號的干擾進(jìn)行了較大程度的抑制，并對10kHz信號進(jìn)行了有效的放大。該電路選用了德州儀器OPA2277作為運(yùn)算放大電路的核心電路。

該信號檢測電路還包含一個(gè)程序控制放大電路，一個(gè)低通濾波電路，以及一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動電路。該系統(tǒng)采用了亞德諾公司生產(chǎn)的AD8253ARMZ型可調(diào)節(jié)的可編程放大器，該放大器采用了1／10／100／1000的可調(diào)節(jié)級數(shù)；用于過濾經(jīng)由二次回路耦合器及該電路自身產(chǎn)生的高頻率噪音的低通濾波器，其具有15kHz的截止頻率；模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路把輸出的幅度放大到一個(gè)適用于ADC數(shù)據(jù)處理的幅度。

1.3 矢量計(jì)算及狀態(tài)識別單元

該電路由放大電路、高通濾波器及繞組驅(qū)動電路等構(gòu)成，用于放大10kHz的激發(fā)信號，提升其帶載容量，并將其輸出至二次回路，實(shí)現(xiàn)對10kHz激發(fā)信號的有效抑制。

矢量計(jì)算及狀態(tài)識別單元硬件核心芯片使用的是以32位ARMCortex-M4為基礎(chǔ)的嵌入式處理器STM32F303CCT6，這是一種擁有數(shù)字信號處理器（DSP）和浮點(diǎn)計(jì)算單元（FPU）指令的MCU，還添加了新的浮點(diǎn)、DSP、并行計(jì)算等功能，能夠滿足向量計(jì)算的需求。該芯片擁有大量的周邊裝置，包括了2個(gè)12位數(shù)字輸入、電壓輸出型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）模塊、13個(gè)16位的計(jì)時(shí)器、4個(gè)12位的ADC模塊等，這些都能很好地減少硬件費(fèi)用。EEPROM中的資料為10kHz的二次回路的阻抗，以及在原位首次加電時(shí)被寫入的環(huán)境參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新性地提出了一種利用單片機(jī)對DAC輸出幅度和程序放大增益進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)的新型單片機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)幅度，對二次回路的10kHz阻抗在10～100kHz之間的波動進(jìn)行了較大幅度的調(diào)節(jié)。能擴(kuò)大檢測的動態(tài)范圍，使信號的增益變得更好，從而使檢測的準(zhǔn)確度更高。DAC的輸出振幅可調(diào)節(jié)到整個(gè)量程的1%～100%。

在二次回路10kHz的阻抗計(jì)測電路中，DAC定時(shí)驅(qū)動（1MHz的觸發(fā)器），將10kHz的正弦波信號輸入到DAC中，一路ADC對輸入的激發(fā)信號進(jìn)行取樣，而另外一路ADC則對被取樣的信號同時(shí)進(jìn)行取樣，兩路ADC的取樣頻率均達(dá)到5MHz，采用超取樣技術(shù)，將取樣精度提升到16bit（4次超取樣，可提升1bit），每次收集2000個(gè)數(shù)據(jù)，得到了激勵、響應(yīng)的振幅和相位等相關(guān)數(shù)據(jù)，矢量法得到了二次回路10kHz的阻抗。

二次環(huán)阻抗的校正和測試是同時(shí)完成的。該系統(tǒng)的補(bǔ)償由兩部分組成，在－40～60℃的范圍內(nèi)，采用5級的溫度補(bǔ)償，按50%的額定值，將其分成2級。在阻抗補(bǔ)償電路開始之后，一路ADC會對環(huán)境溫度進(jìn)行采樣，并對目前的環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)，另外一條模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集電力系統(tǒng)頻率上的電壓信號，并對當(dāng)前的二次電壓信號進(jìn)行處理，MCU會根據(jù)環(huán)境溫度、二次電流對目前的測量阻抗進(jìn)行補(bǔ)償［2］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對互感器變比、二次電流、環(huán)境溫度三個(gè)方面的分析，對互感器變比、二次電流等三個(gè)方面的影響進(jìn)行了研究。在二次通斷的情況下，回路的阻抗是無限的。在沒有電流的情況下，導(dǎo)線長度為4m，額定負(fù)載，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，利用監(jiān)控設(shè)備在串口上記錄二次回路在10kHz時(shí)，在各種情況下的阻抗值［3］。

當(dāng)二次線圈處于常數(shù)連接狀態(tài)時(shí)，測量得到的阻抗角為a。由數(shù)據(jù)可以看出，在正常連接時(shí)，fx、δx為測量系統(tǒng)的精度，均滿足｜fx｜＜2%，｜δx｜＜3℃；當(dāng)二次端為短接線時(shí)，回路的阻抗不隨比例的改變而改變，且均符合｜Zloopd｜＜0.2Ω；在一次旁路情況下，二次端的短接阻抗和普通接線阻抗之間存在著很大的級數(shù)差異，并且符合1.75＞4.3x＞0.7的公式；如果是二次斷開，則只滿足標(biāo)準(zhǔn)的阻抗連接電阻識別在｜Zloopk｜＞100000的要求。在常溫、無二次流等測試情況下，用普通變比值電流變壓器組成的二次電路，其識別特性十分明顯。

能夠?qū)Ω鱾€(gè)連接狀態(tài)進(jìn)行有效的鑒別和辨識。由資料可知，在一般情況下，在二次電流低于50%I2n的情況下，回路的阻抗會受到很小的影響，但是一旦大于50%I2n，回路的阻抗會逐漸減小，而當(dāng)二次電流達(dá)到120%I2n的時(shí)候，其阻抗會減小至沒有電流的10%左右，此時(shí)fx，δx略有增加，但是控制｜fx｜＜3%、｜δx｜＜2°以內(nèi)，因此對整個(gè)電路幾乎沒有任何影響。二次側(cè)的短接和一次側(cè)其阻抗基本不受影響。

T是環(huán)境中的氣溫，單位為℃。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在無故障情況下，回路阻抗受環(huán)境溫度的影響很大，且隨環(huán)境溫度的下降而遞減；在較低溫度下，fx，δx略有增加，但如果控制｜fx｜＜3%、｜δx｜＜2℃，對溫度的影響會很小。結(jié)果表明，二次端斷點(diǎn)及一次側(cè)旁通電阻值與原邊旁通電阻值相差不大。

通過三套試驗(yàn)資料的對比研究，本文提出了在30／5～2000／5，工作溫度－40℃～60℃，二次電流0～120%I2n等工作條件下，準(zhǔn)確測定二次回路10kHz的電阻，結(jié)合合適的識別特征量fm、δm、｜Zlm｜、｜Zhm｜、υn和υm，從而實(shí)現(xiàn)二次回路各個(gè)聯(lián)接狀態(tài)的辨識，并在大批量生產(chǎn)時(shí)通過調(diào)試工具對各個(gè)辨識特征量進(jìn)行辨識。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，該方法可以實(shí)現(xiàn)二次回路阻抗的量化分析，具有更高的故障辨識率，更廣泛的工況適用范圍，更強(qiáng)的技術(shù)可靠性，更大的技術(shù)深度開發(fā)潛能［4］。

3 結(jié)束語

本文將研究一種新型的10kHz回路狀況在線監(jiān)控系統(tǒng)，其核心芯片將使用32位ARMCortex-M4芯片，集成DSP與FPU指令的混合信號單片機(jī)，提高其對10kHz電流信號的計(jì)算與并行處理能力。試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能在整個(gè)工作狀態(tài)下，精確地辨識出互感器的正常聯(lián)接狀態(tài)、二次端子短接狀態(tài)、二次斷開狀態(tài)以及一次旁路狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高、應(yīng)用面廣、實(shí)時(shí)性好、硬件費(fèi)用低廉；尺寸小，不影響電能測量，可與電能表、專變終端等裝置聯(lián)機(jī)工作，適合于通過電流互感器接入的電能計(jì)量系統(tǒng)，可以進(jìn)行大規(guī)模的推廣。缺點(diǎn)是該設(shè)備在出廠之前必須經(jīng)過比較繁鎖的調(diào)試，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。