趙旭彤 彭 搏 肖登明

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200030）

在配網(wǎng)中，變壓器中性點(diǎn)接地電阻裝置，可以將變壓器中性點(diǎn)強(qiáng)制接地，并限制其故障電流，使繼電保護(hù)設(shè)備有足夠的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)跳閘和備用切換，避免配電網(wǎng)和電氣設(shè)備遭到破壞。對變壓器接地電阻電流數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將信息記錄，有助于對變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線評估，為變壓器的狀態(tài)檢修提供依據(jù)積累運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，為故障判斷、停電檢修提供依據(jù)。

本設(shè)計(jì)中，電子式電流互感器的高壓側(cè)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(shù)相結(jié)合的新型電流測量設(shè)備，采用霍爾傳感器將一次被測電流變換成與之成線性關(guān)系的模擬電壓信號。由于在變電站的強(qiáng)電磁場環(huán)境下，同時(shí)為了降低電流互感器絕緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要求，必須在高壓側(cè)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過光纖后傳輸?shù)胶喜卧?。因此，需要在高壓?cè)引入信號調(diào)制電路，并提供相應(yīng)的工作電源。采用激光供電的方式，具有電源能量供給穩(wěn)定，不受母線電流大小影響的優(yōu)點(diǎn)。整套有源電子式電流互感器測量裝置包括激光供能系統(tǒng)、高壓側(cè)信號調(diào)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(jié)構(gòu)

1.1 激光供能系統(tǒng)

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

激光供能系統(tǒng)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(biāo)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?；谏鲜隹紤]，在本設(shè)計(jì)中選用美國 JDSU公司的PPM-2W 光電電源模塊，它將激光器和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，可以根據(jù)需要靈活地調(diào)節(jié)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(biāo)外，光電池另一個(gè)重要的指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)美國 JDSU公司給出的指標(biāo)，該公司光電池的效率可以達(dá)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(zhuǎn)換效率在30%～40%之間。

3）DC-DC變換器。光電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓并不穩(wěn)定，DC-DC轉(zhuǎn)換器的作用是將光電轉(zhuǎn)換器輸出的電能進(jìn)行穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的+5V電壓（以下稱 5V線性穩(wěn)壓器），為高壓側(cè)電子電路供電；得到的穩(wěn)定+5V電壓再經(jīng)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(wěn)壓器的指標(biāo)包括輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓的紋波系數(shù)及輸出電流的大小等。其中，5V線性穩(wěn)壓器選用美國Texas Instruments公司的TPS79901芯片，設(shè)計(jì)電路如圖2所示，調(diào)節(jié)R7 R8的電阻值比例可以改變輸出電壓，它的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%以上（與輸入電壓大小有關(guān)），輸出波紋小于10mVpp，輸出電流可達(dá) 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(zhuǎn)換效率約74%。

圖2 +5V線性穩(wěn)壓電路圖

1.2 高壓側(cè)調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

高壓側(cè)調(diào)制電路包括霍爾傳感器、模擬信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)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(jīng)模擬信號調(diào)理電路將雙極性信號調(diào)整到0到3.3V之間，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)RS232串口發(fā)送至電光轉(zhuǎn)換電路，通過光纖傳輸至低壓側(cè)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(shù)據(jù)采集模塊、高低壓測的光纖通信進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1）霍爾傳感器

在實(shí)際運(yùn)行中，變壓器在正常狀態(tài)下中性點(diǎn)電流為很小甚至為零，既要保證小電流狀態(tài)下的測量精度，又能準(zhǔn)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(shí)輸出信號太弱，存在測量精度死區(qū)，采用雙傳感器可以擴(kuò)大測量電流范圍，提高精度，但也增加了互感器硬件設(shè)計(jì)的冗余性。測量精度較高的霍爾傳感器可以克服上述缺點(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)。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(tài)峰值的測量，副邊電流忠實(shí)反應(yīng)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(cè)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(dá)50KV，輸出?4～+4V的電壓信號。

2）模擬信號調(diào)理電路

由于 MSP430單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)了直流偏置電路，完成信號的極性轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)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(diào)理電路

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

3）數(shù)據(jù)采集模塊

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

為降低高壓側(cè)通信帶來的功耗，應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)行通信傳輸，避免了實(shí)際應(yīng)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(zhì)，具有高隔離電壓、防電磁干擾、抗雷擊等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 合并單元

合并單元主要完成同步、對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理的功能。在正確識別外部輸入的同步脈沖時(shí)鐘信號后，合并單元給各路A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號。在發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號后，合并單元將同時(shí)接收多路通道的輸出數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行有效性校驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理。對于接收到的來自高壓側(cè)的電子式電流互感器的數(shù)據(jù)，會(huì)將數(shù)據(jù)還原為實(shí)際電流值，繪制相應(yīng)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(jī)界面截圖

2 性能測試

2.1 電磁兼容試驗(yàn)

抗干擾是電子式電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),電磁兼容驗(yàn)證設(shè)備在它的電磁環(huán)境下是否能滿意地運(yùn)行，且不對該環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生超過限值的電磁騷擾。本文采用的光電技術(shù)和更加穩(wěn)定的激光供電方式可以提高轉(zhuǎn)換電源的兼容性；通過信號調(diào)理與印刷電路板的特殊設(shè)計(jì)降低電磁干擾對測量精度的影響；系統(tǒng)安裝在屏蔽盒內(nèi)，減少與外界的接觸。電力線路、變壓器等在正常運(yùn)行或故障條件下會(huì)對周圍的電子電氣設(shè)備產(chǎn)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(yàn)運(yùn)行，沒有發(fā)生故障。

2.2 準(zhǔn)確度測試

當(dāng)一次電流從額定電流（400A）的5%～120%變化（20～480A）時(shí)，電子式電流互感器測量通道的比差和角差如表1所示。從表1中可以看出，電子式電流互感器測量通道在5%～120%額定一次電流變化范圍內(nèi)比差和角差測量值滿足0.2級電子式電流互感器準(zhǔn)確度的要求。

表1 35kV ECT準(zhǔn)確度測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文使用光電電源模塊為高壓側(cè)供電，霍爾傳感器作為傳感頭，以光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，研制了一臺(tái)電子式電流互感器，該電子式電流具有以下特點(diǎn)：

1）光電電源模塊作為高壓側(cè)的供電電源，具有電源能量供給穩(wěn)定，不受母線電流大小影響的優(yōu)點(diǎn)。

2）傳感頭使用霍爾傳感器，具有測量精度高、線性度好、測量范圍大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

3）高壓側(cè)和低壓側(cè)分別采用電光變換和光電變換，以光纖連接兩端，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，絕緣成本降低。

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