一种测量变压器接地电阻电流的电子式电流互感器

2012-04-27赵旭彤肖登明

电气技术 2012年10期

赵旭彤彭搏肖登明

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

在配网中，变压器中性点接地电阻装置，可以将变压器中性点强制接地，并限制其故障电流，使继电保护设备有足够的时间进行监测，实现跳闸和备用切换，避免配电网和电气设备遭到破坏。对变压器接地电阻电流数值进行实时监测并将信息记录，有助于对变压器的运行状态进行在线评估，为变压器的状态检修提供依据积累运行状态参数，为故障判断、停电检修提供依据。

本设计中，电子式电流互感器的高压侧存在电子电路，必须有电源支持才能正常工作。有源电子式电流互感器是将传感元件与光纤通信技术相结合的新型电流测量设备，采用霍尔传感器将一次被测电流变换成与之成线性关系的模拟电压信号。由于在变电站的强电磁场环境下，同时为了降低电流互感器绝缘设计结构的要求，必须在高压侧转换为数字信号通过光纤后传输到合并单元。因此，需要在高压侧引入信号调制电路，并提供相应的工作电源。采用激光供电的方式，具有电源能量供给稳定，不受母线电流大小影响的优点。整套有源电子式电流互感器测量装置包括激光供能系统、高压侧信号调制电路和合并单元，原理图如图1所示。

图1 电子式电流互感器原理图

1 结构

1.1 激光供能系统

激光供能系统由低压侧和高压侧组成：低压侧为激光二极管及其驱动、保护和温控电路，高压侧为光电转换器（Photovoltaic power converter）和DC-DC变换器。在低压侧，激光二极管将电能转换成光能后，通过光纤传到高压侧；高压侧的光电池将接收到的光能转换成电能，经DC-DC变换后分别为高压侧的霍尔传感器和电子电路供电。

激光供能系统所使用的主要器件如下：

1）激光二极管。选择激光二极管的指标是其输出功率和寿命。前者决定了可以提供能量的大小，而后者决定了激光二极管的使用年限的长短。基于上述考虑，在本设计中选用美国 JDSU公司的PPM-2W 光电电源模块，它将激光器和驱动电路集成在一起，可以根据需要灵活地调节输出光功率，大约为1～2W，其寿命是大功率激光二极管中较高的。

2）光电池。除了寿命指标外，光电池另一个重要的指标是光电转换效率。根据美国 JDSU公司给出的指标，该公司光电池的效率可以达到 30%～40%，因此，激光供电方式中选用该公司型号PPC-6E的光电池，输出电压6V，转换效率在30%～40%之间。

3）DC-DC变换器。光电转换器的输出电压并不稳定，DC-DC转换器的作用是将光电转换器输出的电能进行稳压得到稳定的+5V电压（以下称 5V线性稳压器），为高压侧电子电路供电；得到的稳定+5V电压再经过 DC-DC模块变换，得到+12V和−12V的电压，为霍尔传感器供电。线性稳压器的指标包括输入电压范围、转换效率、输出电压的纹波系数及输出电流的大小等。其中，5V线性稳压器选用美国Texas Instruments公司的TPS79901芯片，设计电路如图2所示，调节R7 R8的电阻值比例可以改变输出电压，它的转换效率可达80%以上（与输入电压大小有关），输出波纹小于10mVpp，输出电流可达 400mA。DC-DC模块选用 MORNSUN America公司的 A_S-1WR模块，输入电压范围为4.5～5.5V，转换效率约74%。

图2 +5V线性稳压电路图

1.2 高压侧调制电路的设计

高压侧调制电路包括霍尔传感器、模拟信号调理电路、数据采集模块及高低压测光纤通信电路。一次电流通过霍尔传感器后变换成−4～+4V的电压信号，经模拟信号调理电路将双极性信号调整到0到3.3V之间，进入数据采集模块进行A/D转换，经RS232串口发送至电光转换电路，通过光纤传输至低压侧的合并单元，从而完成模拟信号的采集与通信。下面针对霍尔传感器、数据采集模块、高低压测的光纤通信进行详细的介绍。

1）霍尔传感器

在实际运行中，变压器在正常状态下中性点电流为很小甚至为零，既要保证小电流状态下的测量精度，又能准确的测量故障大电流。大部分电子式电流互感器使用空心线圈测量一次小电流时输出信号太弱，存在测量精度死区，采用双传感器可以扩大测量电流范围，提高精度，但也增加了互感器硬件设计的冗余性。测量精度较高的霍尔传感器可以克服上述缺点，霍尔传感器是一种基于霍尔原理的新型电检测元件，具有精度高、线性度好、体积小、重量轻、安装方便等优点。它可以测量任意波形的电流，如直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量，副边电流忠实反应原边电流的波形，这是其他传感器所无法比拟的。但由于霍尔传感器需要供电，也增大了高压侧的功耗。本文中需要测量的一次原边电流范围为0～400A，选用IEFUL公司型号为CS500K的霍尔传感器，线性度小于1%FS，原边电路和副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压最高可达50KV，输出−4～+4V的电压信号。

2）模拟信号调理电路

由于 MSP430单片机内置的模数转换器的单极性 ADC，其输入范围为0～3.3V，而霍尔传感器的输出电压为双极性信号，为此设计了直流偏置电路，完成信号的极性转换。实现直流偏置可采用电阻分压的方式，其电路形式如图3所示。

图3 模拟信号调理电路

该电路采用单电源供电，+5V的基准电压由激光供能系统的线性稳压器提供，输入和输出的电压关系有：Vout=0.37Vin+1.6。电阻分压方式具有结构简单，成本低的特点，且允许幅值较大的双极性模拟信号在板内传输，在外界干扰一定的时候，提高了信噪比。

3）数据采集模块

数据采集模块以超低功耗16位微处理器MSP430为控制核心，其内置 ADC为 SAR型12位AD，工作于单通道多次转换模式，采用P6.0口作为A/D输入端，内部电压参考源选用系统供电电压3.3V，通过控制采样/转换位ADC12SC来触发ADC，采样保持定时器用来设置采样周期，使采样数据能精确地还原正常波形。ADC12内核接收到模拟信号输入并具有转换允许的相关信号之后便开始进行A/D转换，转换后的数字信号存放在转换存储寄存器 ADC12MEM 中，经转换为字符型符号后，经RS232串口发送。A/D转换的数据发送是采用串行数据的发送方式，与并行的数据发送方式相比，串行数据传输采用单根光纤完成低功耗发送，降低了发送电路的功耗和成本，且在传输距离不远、速率不是很低的情况下，选用UART最为合适。

4）高低压测的光纤通信设计

为降低高压侧通信带来的功耗，应选用低功耗器件，建立高效率的光纤通信电路。Agilent公司的低功耗LED组件HFBR1414和HFBR2412可满足上述要求，HFBR2412输出直接与 TTL电平接口，方便与合并单元连接。波仕电子公司型号为OPT232-9的超小型无源RS232/光纤转换器很好地将上述组件整合在一起，无需附加电源，通过RXD、TXD、GND三根线从 RS232串口取电并进行通信传输，避免了实际应用中可能存在的一些困难。由于采用光纤作为通信传输介质，具有高隔离电压、防电磁干扰、抗雷击等优点。

1.3 合并单元

合并单元主要完成同步、对多路数据进行采集处理的功能。在正确识别外部输入的同步脉冲时钟信号后，合并单元给各路A/D转换器发送同步转换信号。在发送同步转换信号后，合并单元将同时接收多路通道的输出数据，对其进行有效性校验及数据处理。对于接收到的来自高压侧的电子式电流互感器的数据，会将数据还原为实际电流值，绘制相应的电流波形，记录故障信息外等，部分界面截图如图4所示。

图4 人机界面截图

2 性能测试

2.1 电磁兼容试验

抗干扰是电子式电流互感器的关键技术指标,电磁兼容验证设备在它的电磁环境下是否能满意地运行，且不对该环境中的其他设备产生超过限值的电磁骚扰。本文采用的光电技术和更加稳定的激光供电方式可以提高转换电源的兼容性；通过信号调理与印刷电路板的特殊设计降低电磁干扰对测量精度的影响；系统安装在屏蔽盒内，减少与外界的接触。电力线路、变压器等在正常运行或故障条件下会对周围的电子电气设备产生工频磁场的干扰，将电子式电流互感器安装在35kV变压器接地电阻柜中试验运行，没有发生故障。