电子式电流互感器采集单元上下电缺陷分析及改进

2017-06-27王军夏利民陈磊

中国设备工程 2017年12期

关键词：互感器波形电源

王军，夏利民，陈磊

（1.电子科技大学中山学院，广东中山 528402；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075；3.江苏西电南自智能电力设备有限公司，江苏南京 211100）

电子式电流互感器采集单元上下电缺陷分析及改进

王军1,2，夏利民2，陈磊3

（1.电子科技大学中山学院，广东中山 528402；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075；3.江苏西电南自智能电力设备有限公司，江苏南京 211100）

针对广西翡翠220kV变电站电子式电流互感器在上下电过程中出现异常波形的现象，结合采集单元的软硬件设计对问题原因进行了分析。指出采集单元的硬件设计是引起异常波形的主要原因，并提出了相应的改进措施。整改后的运行情况表明改进措施有效解决了采集单元的设计缺陷，对其他电力自动化装置的设计有一定的参考价值。

电子式电流互感器；采集单元；上下电时序

广西翡翠220kV智能化变电站采用新型电子式电流互感器。2015年8月现场调试时，当开、合安装于汇控柜中采集单元的电源开关时，对应间隔的继电保护、测控装置会发现有异常波形产生。本文对上述异常现象进行分析，提出硬件、软件上改进措施，较好地解决了采集单元在电源上下电时出现的异常情况，提高了电子式电流互感器产品的可靠性。

1 电子式电流互感器原理

目前大多数有源电子式电流互感器利用电磁感应原理的Rogowski线圈和低功率线圈实现保护电流和测量电流的传变，较传统互感器有测量精度高、暂态特性优越、数据传输可靠、无CT开路问题等优势而得到一定程度上的推广使用。

采集单元对保护、测量电流等信号进行模数转换和处理后，上送到合并单元；合并单元对这些数字量进行合并处理，并按IEC61850-9-2标准转换成以太网数据，再通过光纤输出到过程层网络或相关智能电子设备。

2 缺陷分析

在调试阶段，开、合采集单元供电电源开关时保护和测控装置均发现有如图1、2所示异常波形产生。经分析，异常波形与电流互感器一次本体和合并单元部分无关，缺陷根源定位在采集器。

采集单元电源系统包括4种电源，即差动放大器和硬件积分器（即运算放大器）所需的±15V电源、CPU系统和ADC芯片工作所需的3.3V电源、ADC芯片的2.5V参考电源、光发器件及其他电路所需的+5V电源，如图3所示。

图1 上电波形

图2 下电时异常波形

图3 采集单元电源系统

用示波器捕捉采集单元上4种电源的上、下电时序，如图4、5所示。图中CH1、CH2、CH3和CH4分别表示+5V、-15V、+15V、2.5V，用黄色、蓝色、紫色和绿色表示。

图4 采集单元电源上电时序

图5 采集单元电源下电时序

根据图4及示波器显示，电源上电后，+5V和2.5V几乎10ms内就可以建立完成，因此采集单元的CPU系统、A/D转换、数据发送等回路的初始化工作很快结束；上电120ms后MAX743芯片才开始工作，但之前其boost升压电路，将输入的+5V直接输出，故图4紫色通道CH3在5V电平上停留了120ms左右的时间；上电170ms后MAX743输出的±15V几乎同时建立起来。在±15V电源没有同步建立的时间内，硬件积分器的正电源大于负电源，OP放大器的输出为正值，正负输入引脚电平为正值，并对积分电容进行充电，此时采集单元产生类似上冲的异常波形。由于测量通道没有硬件积分器，所以没有类似上冲的异常波形，见图1。由于+5V、2.5V电源首先建立完成，运放的正电源先于负电源建立，因此整个硬件系统不会发生过压和闩锁状况。

当输入电压低于3.8～4.2V时，MAX743欠压闭锁，不再输出±15V电源。同理，当输入电压分别低于3.5V、4.5V时，TPS76033和ADR421芯片工作异常，3.3V和2.5V电源异常。采集单元实时监测+5V、2.5V、±15V电源，当上述电源电压绝对值分别小于4.75V、2.42V、+13V时，将通道Ia_+5V、Ia_参考电源、Ia_+15V和Ia_-15V的品质位由有效变位为无效位。通过对电源异常时间点、品质位变位时刻分析，印证了采集单元+5V下电过程中，A/D转换电路、硬件积分器、滤波调理电路和CPU系统依次工作异常，遂产生图2所示的异常波形。结合图5，在采集单元下电过程中硬件系统不会发生过压和闩锁状态，但正常工作的CPU系统可能会将异常的A/D转换数据上送合并单元。

3 改进措施

如前述，在上、下电过程中，采集单元硬件系统工作欠稳定便将异常波形上送至合并单元，对电力系统的稳定运行构成威胁。因此需要采取措施避免生成此类波形，或者在电源系统稳定之前采集单元不能上送数据。在上电过程中，±15V电源建立过程不同步产生图1所示异常波形。为了使±15V电源同步建立，将MAX743的+15V电源输出回路加PMOS管作为开关，电阻R1和R2的分压作为该PMOS管的开门电压。只要PMOS管的开门电压在1.7V以上，并且+15V电源轨的输出电平大于5V后，+15V电源才能有输出。经测试，电路整改后图1异常波形不再出现。如前述，只要5V电源保持在4.5V以上，采集单元的电源系统就能正常工作。应用MAX803LEXR芯片实现对5V电源的监视。当5V电源电压低于MAX803LEXR复位阈值电平（即4.56V～4.70V），采集单元的CPU还能正常工作，MAX803LEXR开漏输出的PWR_MON信号变为低电平，采集单元上送电源电压偏低的报警信息并置错误标。

与上述改进措施相对应的是，采集单元软件系统做如下整改：（1）修改采集单元程序，实时监测电源系统各电源的运行工况并上报合并单元；（2）如果一个或几个电源工作异常，采集单元置错误标，上送合并单元，通知保护测控装置采样数据异常，避免保护装置误动；（3）合并单元接收到错误标后，即刻开始对采集单元上送的数据录波。