数字化全量程CT在避雷器监测上的应用

南京世都科技有限公司 顾金国

南京工业职业技术学院 电气工程学院 王露露

数字化全量程CT在避雷器监测上的应用

南京世都科技有限公司 顾金国

南京工业职业技术学院 电气工程学院 王露露

介绍一种基于零磁通技术的微小电流(Amin=10uA)互感器和基于罗氏(Rogowski)线圈的冲击电流(Imax=1MA)互感器两者技术融为一体的单匝穿心超宽电流量程数字互感器。该成果成功应用在氧化锌避雷器的在线监测系统上,系统已在南方220KV电网正常运行，该互感器实际标定测得小电流精度0.2级，罗氏线圈冲击电流1～150KA精度0.5级。

零磁通；罗氏(Rogowski)线圈；快速傅里叶变换(FFT)；Matlab；GPRS；避雷器；单匝穿心

1.引言

对于国家电网的输配电的安全，金属氧化性避雷器(MOA)是当今电网防护的关键部件，因MOA长期户外工作会使其泄漏电流持续增加，引起劣化；特别是泄漏电流的阻性分量、雷击、冲击过电压的影响更为显著。上述诸多因素可见MOA在线监测显得十分重要。因此研制一款穿心式微小电流和大冲击电流一体的智能互感器，该类互感器能方便电力系统电气绝缘强度测量具有非常重要的意义。

零磁通电流互感器就是铁心没有磁通的互感器。利用一个叠加在主互感器上的辅助互感器提供反电动势来补偿阻抗产生的压降,从而不需要主互感器的磁通提供电动势就可实现零磁通。这种方案称为电动势零磁通补偿,无需外部电路提供电动势,可以做到无源补偿。本文中设计的电流互感器采用电动势零磁通补偿,达到了0.2级精度,最小测量电流10uA。

罗氏(Rogowski)线圈是用导线在非导磁材料的骨架上绕制而成的，具有重量轻、频带宽、线性度好且无磁饱和现象、输出功率低、结构简单、线性特性良好等特点。因而成为高压现场中测量交流、暂态和脉冲等不同性质大电流的首选敏感器件。本文中设计罗氏线圈采用自积分与外积分相结合的方式，标定精度0.5级。

上述“零磁通技术”与“罗氏线圈”应用结合，两线圈设计在同一金属壳体内，通过内置ARM7(STM32L152)低功耗CPU数据采集与传输，该结合形成了新型的数字化全量程电流互感器。该传感器外接电源管理模块及数据处理模块(DTU)、气象模块，DTU把测量数据传输到远端服务器,用户可以通过服务器端上位机软件或WEB灵活访问，系统完美融入智能电网中。

图1　MOA在线监测系统框图

2.系统结构框图

图1为避雷器在线监测系统，本系统主要由数字化全量程电流互感器、数据单元、气象模块、供电单元和后台监测系统组成。数字化全量程电流互感器采集MOA回路的电流信号，内部CPU通过加汉宁窗(Hanning窗)的快速傅里叶变换算法，分析监测220KV、500KV高压、特高压氧化锌避雷器的全电流、三五七次谐波、阻性电流、冲击电流峰值、冲击类型、冲击次数等数据，这些数据经RS485总线送至数据单元，数据单元汇集温湿度、GPS的经纬度等相关信息通过GPRS传输到后台监测系统；后台监测系统显示相关信息，并设置预警、报警等功能。本系统增强了线路避雷器运行的安全性和可靠性。值得提出的是供电方案中实施了多种取电方式：1 AC220V、2太阳能、3 CT电源从母线中取电。其中单晶硅太阳能面板结合锂电池方式，根据系统功耗经合理的配置太阳能面板功率和锂电池的容量，能保证系统持续常年阴雨天不间断工作。

3.无源零磁通电流互感器原理

采用分路短路匝补偿可以同时补偿比差和角差。如果磁分路铁心截面积显著增大,短路匝数也显著增大,在短路匝上接上负荷阻抗,那么磁分路短路匝就成为一个辅助电流互感器,就得到辅助互感器电动势补偿,其原理如图2零磁通互感器内部结构所示。系统由主铁心I、辅助互感器铁心II、次级线圈N2 和辅助互感器线圈Nb2组成。N2在2个铁心上同时绕制，但在辅助铁心II上少绕Nb匝。

换算后主铁芯的感应电动势：

主线组励磁需要自身提供，这就是互感器误差的来源，本文所述“零磁通”概念是用辅助线圈来给主线圈励磁，主线圈没有任何损耗，从而提高了测量精度。校验仪测试零磁通传感器的相位差在0.05’左右。次级和初级电流的比值等于额定电流比，相位相差180°，次级电流能精确的反映初级电流的大小和相位，得到高精度电流互感器（见图2）。

4.罗氏线圈原理

图3为具有圆形骨架的Rogowski线圈原理结构图。其输出电压e正比于被测电流的变化率。式中：M为感应出的电压与被测电流间的比例系数；i为被测电流，通过对Rogowski输出电压的积分可以还原被测电流信号，电流还原公式：。罗氏线圈输出信号经过峰值采样电路，调理出冲击电流的峰值信号送MCU计算得出冲击电流的峰值，本系统验证了1K～150KA、8/20uS的冲击波形，精度能达到0.5级。由于版面限制实验数据不在此处公布，需要数据见email:gujinguo@126.com。

图2　零磁通电流互感器结构及参数

图3　罗氏线圈原理结构

5.结构方式

如图4所示零磁通线圈与罗氏线圈放置于同一壳体内，内部通过STM32L152 Cortexm3内核低功耗CPU信号处理，再经RS485信号输出，输出端采用威浦户外用航空插头，4芯带屏蔽通讯线引出(VDD,485A,485B,GND)给数据终端。外壳采用一体化不锈钢材质，表面喷塑处理，内部电路采用环氧树脂灌封；很好的满足了电力系统绝缘在线监测的以下条件：(1)采样范围宽、灵敏度高，输出能灵敏反应输入量的微小变化；输出信号尽可能大。(2)在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，输出信号与被测信号间的比值差、角差小，并且其差值稳定，不随温度等因素的变化而变化。(3)抗干扰能力强，电磁兼容性好、防腐蚀特性。

图4　一体化电流互感器结构

6.结论

本文研制的一体化穿心式互感器成功解决了早期在线监测的诸多弊端。如：设备对避雷器接地回路的影响、不易安装调试、数据不准确、无远程监测维护、耐冲击性寿命短等弊端。对高压电气设备漏电流检测具有重要的理论意义和实用价值。笔者展望：随着小电流互感器制造工艺的革新，能把该互感器设计成开口方式同时又保证小电流测量的精确性，那该智能互感器将能更好的为国家电网服务。

[1]李芙英等.基于Rogowski线圈和压频变换的电流测量方法.

[2]李虹山.金属氧化锌避雷器(MOA)的在线监测及故障诊断.

[3]刘彬.基于Rogowski线圈的电子式电流互感器复合误差计算方法.

[4]黄海波.变电设备在线监测[M].中国电力出版社.

顾金国（1981－），男，江苏南通人，大学本科，主要从事避雷器在线监测研究。

王露露（1996－），女，江苏南通人，大专，主要从事电气自动化研究。