基于磁传感阵列模型的10kV开关柜流温复合参量监测系统的研究与应用

国网河南省电力公司鹤壁供电公司 秦福祥 李俊周 程夏威 宋晓磊

随着智能电网工程的推进，采用物联网技术对配网中各设备及各环境的监测已经得到了广泛的应用，物联网现有系统平台显示各传感器单一数据，告警信息为单一设备状态，所以当出现告警信息时班组人员会第一时间到现场，但检查现场设备时往往无故障点、缺陷，长时间多次的到现场，给工作带来不必要的负担。

一线人员发现，通过物联网单一监测虽然减轻了巡视工作、改变了巡检模式，但因系统“虚告警”（虚假告警和短暂告警）也带来一些麻烦，所以提出怎样减少因“虚告警”（虚假告警和短暂告警）带来巡检次数的问题。开关柜是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中进行开合、控制和保护用电设备，由于开关柜长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行[1]、断路器与开关柜之间一般都采用插头连接，若发生长期过载、接头松动、触头老化等，容易导致接触电阻增大，可能发生触头升温过高甚至烧毁等严重事故。因此对开关柜电流和温度进行时钟条件下高精度的测量，对整个电力系统的正常运行有着至关重要的作用。

1 国内研究现状及项目原理

开关柜作为电网中的一环具有很重要的作用，需对其进行定期运维，但运维存在误操作等事故，因此需对其进行一些辅助监测来提高运维的安全性，开关柜常规的监测方法有监测电压、电流、温度等，而电流和温度的监测对其有很重要的作用。常规监测电流的方法是通过开关柜上的电流表进行读取。对于温度一般采用的是红外测温仪，其带有数据接口，可把实时温度数据传到后台显示和报警，也可在当地指示。优点：测量精度较高；缺点：价格偏贵，需要拉电源线、近距离可视安装和停电安装。

传统大电流测量方式主要使用电磁式电流互感器测量电力系统电流，其体积大、高频趋肤效应显著、频率响应不高，无法适应信息化的要求[2]，Rogowski线圈具有精度高、测量范围大、重量轻等优点[3]，但由于成本较高、不能测量直流分量[4]，霍尔传感器不能满足测量范围与精度的要求[5]。

随着电子信息技术的发展，磁传感器在测量领域的应用越来越广泛，已成为电子测量领域和高水平控制系统的关键器件之一。磁传感器测量大致经历了3个阶段：最初为单传感器测量，但不能区分被测电流自身产生的磁场和干扰磁场，精度不能满足现在大型设备的需求；后来采用环形传感器阵列，将磁传感器环绕着母排周围，可极大地提高测量精度，但只适用于测量直流情形，不能满足交流情形；现在利用磁传感器阵列拓扑结构进行测量，通过对传感器的输出信息进行合理分析处理，在排除干扰的同时建立磁场与电流的关系。

通过技术比较，以上方法都只能在站端进行监测温度、电流，不能起到实时监测的效果、不能对故障进行数据分析，因此决定采用基于磁传感阵列模型的开关柜流温复合参量监测系统，能够实现对配电网中的导体电流和温度进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，且能有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数精确指导电网的运行。同时采用集成电路技术，将该装置与无线温度传感器进行集成应用，实现电缆电流和温度的双参量监测，在边缘端提升了开关柜和环网柜的监测能力，有效提升了电网的安全运行水平。

为满足变电站开关柜电流测量高精度、低成本、易安装、安全绝缘等特点，结合物联网技术研制一款低功耗、结构简单、抗干扰、分辨率高的TMR电流温度二合一无线智能装置。基于TMR传感技术采集电流，同时实时采集接触点温度，将测量数据通过无线发送到计算平台，计算平台基于传感器的陈列模型计算出相应导线的电流值和温度值。无线智能装置由电池、电源管理单元、TMR电流传感器、温度传感器、采集单元、微控制器和无线单元等构成。

2 关键技术及解决难题与现场应用情况

2.1 搭建磁传感器阵列模型，解决电缆三项互不干扰问题

针对专有的变电站10千伏开关柜进行环境搭建，与常规的单芯电缆或环网柜电缆情况不同，除要考虑电缆三项干扰外还应该考虑母排干扰，解决电缆三项（A、B、C）互干扰问题。

2.1.1 TMR电流传感器[7]

电流传感器是在电气绝缘的状态下，利用电流所产生的磁场来检测电流值的一种介于高、低电压之间的界面器件，其原理为：当原边导体中存在电流时，在导体的周围就会产生一个环绕导体的、与电流成比例的磁场。用磁传感器检测该磁场强度后，生成与电流成线性关系的电信号输出——这就是最基本的开环式电流传感器，也被称为直测式电流传感器。当被测磁场信号较弱或为了抑制干扰磁场时，可采用软磁材料来聚集被测磁场，并将磁传感器探入到软磁材料内部以增强信号强度。

通过技术比较，结合TMR电流传感器的特性，采用推挽式惠斯通全桥结构，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR元件，利用R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反这一特性。当磁场变化时R1、R2电阻变大而R3、R4电阻变小，这样当外加磁场沿垂直于芯片表面方向变化时，惠斯通全桥提供较大的差分电压输出。由于开关柜每相母排在整个柜内都产生磁场分布，对应传感器测得的磁场实际上是每相电流产生磁场在该点的矢量和。因此，为得到每相电流对应产生的磁场，需针对三相母排建立合理的电流测量磁传感器阵列拓扑，并从中解耦出每相电流对应产生的磁场强度，由此计算出该相电流的大小。

2.1.2 磁传感阵列模型

开关柜的三相母排可看成是平行的铜排，铜排与铜排间及铜排与磁传感器间的位置关系可表示为图1所示情况。以A相母排的截面左边缘端点作为三维坐标系统（x，y，z）的原点，假设每相母排的宽度为c、厚度为d，相邻两相母排间的距离为L。靠近每相母排安装磁传感器，并假设每相对应的磁传感器到该相母排的距离为b，到该相母排左侧边缘的距离为a，因此a、b两个参数决定了磁传感器阵列拓扑的结构。母排间的间距L、各相母排的实际宽度d以及厚度可根据实际应用的开关柜测量得出。

图1 平行磁传感器阵列拓扑

应用磁传感器测量电流的基本前提是磁场的线性和叠加性，包括空间上和频率上的线性叠加性。空间上的线性叠加性是指电流在空间内指定一点产生的磁场强度与电流的强度成线性关系，而且对于多相电流，该点的磁场强度是各相电流所产生的磁场强度在该点的矢量叠加。频率线性是指对于空间内的指定点，特定频率电流在该点的磁感应系数为某一特定值。对于已知频率和相位的电流，在特定点处产生的感生磁场与其同频同相，即该特定点处的磁场为给定电流各频率分量在该点感生磁场的叠加。

在频率较低及电网谐波干扰较小的情况下，可只考虑电流信号的基波分量，并且忽略磁场的延迟效应以及涡流产生的集肤效应，传感器电压和三相电流关系如式（1），式中C(式2)为磁传感器电流测量的感应系数矩阵，其具体数值通过大量的实验来获得。采用逐相单独通电流采集三相磁传感器的输出，计算出对应的感应系数。例如先对A相母排进行单独通电，B、C两相断开，根据三相磁传感器的电压输出信号可计算出c11、c12、c13的值。由同样的实验方法分别计算出另外两组向量的值，最后得到系数矩阵C的值。

2.2 搭建TMR电流传感器数学仿真模型，对结果进行误差分析

TMR电流传感器陈列模型与应用场景有关，在单相电流检测中磁场分布相对简单，在多相电流检测中磁场相对复杂，计算平台针对不同的应用场景采用不同的传感器数学模型，将提取的传感器的信息经过数据融合分析，计算出对应的电流值。在常见的开关柜电流测量中开关柜内部电磁环境相对复杂，涉及多相电流采集，为研究交直流电流产生的磁场在整个开关柜内的分布情况，利用ANSYS对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真，根据磁场分布提出相关的交直流测量数学模型，计算平台通过采集的电流数据分析处理计算出电流值，进而验证TMR电流传感器数学模型。

根据TMR输出电压值进行电流计算，得到高压开关柜三相母排电流值。将得到的电流值与实际电流值进行线性拟合，拟合结果说明测量得到的电流值与实际电流值十分接近。经过计算，A，B，C三相侧的电流与实际电流的绝对误差值分别为1.96A，4.93A，2.34A。最大幅值误差为4.93A/1200A×100%=0.42%＜1%，符合测量要求。

2.3 开关柜流温复合监测系统

由于电力系统中存在大量不确定的潜伏性故障，特别是在比较复杂的配电网络，由于其运行线路复杂，线路故障情况多样，给检修人员进行故障定位造成了困难。从目前单一监测量往往很难诊断故障做出正确定位，甚至会出现“虚警”现象，带来不必要的麻烦。因此需通过总结物联网中无线传感网络的特点及整合无线传感器网络中多种传感器的多种不同参量的基础上，综合分析各监测内容，经多参量比对法结合电力经验法实现电力设备运行状态监测“虚告警”的正确判断。基于此信息，采用集成设计工艺实现电缆电流和温度两个传感器的集成设计。打破传统的电缆通过磁取电和磁测电流或温度的单一设计模式，实现了电缆电流和温度的复合参量集成应用，从而解决了单一监测量引起的“虚告警”巡视次数，为工作人员减负，减少了人力物力。

2.4 现场应用情况

该装置已在鹤壁海河站10千伏开关柜得到应用，通过后台实时数据监测，免去了人工巡检所带来的人力物力的消耗以及人工巡检进入带电区域的不安全性，提升了开关柜巡视（读取电流、测量温度）的工作效率，节省了人力、财力。保障了开关柜的安全稳定运行，大幅度减少开关柜因负荷分配不均导致电流过大引起火灾事故，避免造成大面积停电事件，影响人民的生产和生活。实现智能化监测符合国网的自动化监测要求，为实现开关柜的全寿命周期以及精益化管理提供了数据支持。保障了开关柜的安全稳定运行，实现智能化监测，符合国网的自动化监测要求。大幅度减少开关柜因负荷分配不均导致电流过大引起火灾的事故，避免造成大面积停电事件，影响人民的生产和生活。

3 结语

通过磁传感阵列模型的开关柜流温复合参量监测系统的研究与应用，能够实现对配电网中的导体电流和温度进行非接触式测量，避免对输电线路造成影响以及安全隐患，而且能够有效去除测量过程中存在的干扰，确保测量精度，进而使得测量参数精确指导电网的运行。同时，采用集成电路技术，将该装置与无线温度传感器进行集成应用，实现电缆电流和温度的双参量监测，在边缘端提升了开关柜和环网柜的监测能力，有效提升了电网的安全运行水平。