电子式互感器在线监测系统设计

陈国龙　邵国军

摘 要：电子式互感器主要应用于智能变电站当中，其内部并没有铁心，这样的设计既能消除磁饱和及铁磁谐振现象，同时还能够使得频率响应范围变宽，测量精度提高。电子式互感器的状态监测可以对在线运行的电子式互感器内部的各状态进行时时监视，以保证各参数在安全范围内运行，尽早消除运行设备发生重大故障的隐患，促进电子式互感器的工程应用，因而已经成为新的研究热点。本文阐述了电子式互感器在线监测系统的原理及设计方案，并对组成系统的各个部分进行了详细论述。

关键词：电子式互感器；在线监测；数据采集；虚拟仪器

中图分类号：TM45

互感器对于电力系统的安全可靠运行有着非常重大的影响，运行过程中的各类信息均需要有互感器的参与。随着我国工业水平的不断发展，工业生产所需的电压等级以及电量也在不断增加，电力系统中所安装的传统电磁式互感器已经越发的不能够满足当前电力系统发展的需要。当前电力系统互感器使用过程中所出现的问题主要有：（1）互感器的线性程度不高，而且动态范围较小，严重影响其使用性能。在实际使用过程中，较易出现磁饱和情况，严重时会出现铁磁谐振的现象，这都非常影响计量效果。（2）电力系统中所安装的传统电压互感器的二次回路不能够出现短路现象，电流互感器不能够出现开路现象，一旦这两种现象出现在正常运行的电力系统中时，就会对人员以及设备安全造成巨大的威胁。（3）模拟量非常容易受到外界环境中电磁的干扰，这就极大的限制了模拟量的传输距离，只能够限制在一定范围内的模拟数据传输。此外，与数字电子设备的数据共享也非常麻烦，二者的连接接口之间存在着较明显的转换问题。

最近几年针对于传统互感器所存在的问题，国内有大量学者进行了非常多的研究。这对于电子式互感器的发展提供了强有力的理论研究支持。随着智能电网、大区域大电网构想的提出，越来越多的高科技电子设备应用在了电力系统中，可用于高效、安全、远距离传输电网的电子式互感器已经成为电网发展的必须品。

电子式互感器概括起来主要具有以下优点：（1）消除了磁饱和以及铁磁谐振的现象。因为传统电磁式互感器被测信号端与互感器的二次线圈之间是通过铁芯进行耦合的，这种设计难免会出现磁饱和以及铁磁谐振的情况。所以，电子式互感器在结构上就直接删去了铁芯，从产生的源头上去除了磁饱和以及铁磁谐振现象出现的可能性。（2）大幅度提高了电力系统故障响应速度。微机保护近几年最明显的发展内容就是将暂态信号量作为了保护判断参量。这种改变对于互感器的线性度以及动态性能要求都非常职高，传统的互感器根本无法满足这一发展的需要。然而目前研究最为广泛的电子式互感器就能够达到这一标准。（3）优秀的绝缘功能。传统互感器在绝缘结构上设计的较为复杂，而且电压等级越高，对于互感器绝缘性能要求越高，同时生产设计成本也就越高。但是电子式互感器在绝缘结构设计上，相较于传统互感器而言就要简单的多。高压侧与低压侧之间的信号传输通道所使用的是绝缘材料制作的光纤，很大程度上提高了电子式互感器的绝缘能力。（4）动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽。传统互感器因本身结构问题所存在的磁饱和现象很大程度上限制了其动态范围，一个互感器想要既达到测量要求，同时又要满足系统继电保护的需要基本不大可能。然而电子式互感器的频率范围主要是由其电子线路设计来决定的，而且电子式互感器的频率响应范围较宽。

本文所使用电子式互感器通过SF6气体绝缘。由于在互感器内充入了SF6气体，因此一旦设备运行，气体的温度与压力将会受到影响，导致气体的rε值、密度的变化，与互感器同轴的电容C也将产生波动，直接影响对二次电压的测量。因此系统需要对设备压强以及温度进行实时监测。

1 系统总体结构设计

电子式互感器将SF6气体温度、压强信号以及采样点路收集到的信号传输至AD转换器，通过单片机进行运算，后将结果传输至上位机。系统整体结构如图1所示。

2 系统总体设计分析

本文所设计电子式互感器在线监测系统采用分层分布式多CPU结构，运用模块化设计和以太网通信技术实现分布互感器数据的采样、处理与传输。该系统可以分为三个层次：采集层、处理层、监控管理层；系统整体结构设计是基于分布分层原理的，这样可以使得整个系统结构层次分明、分布合理，能够更好的安装、使用、维护。此外，模块化设计也使得整个系统在今后的升级过程中能够表现优越。

2.1 电流互感器的选择。气体的介质损耗很小，一般在10-4数量级，必须使用精密的测量仪器。针对于高压环境下所使用的传感器，必须具有较强的绝缘特性，BCT-2型零磁通穿心小电流传感器就是针对高压环境所设计研制的一种小电流传感器。传感器的铁芯是使用坡莫合金制作的，这样就可以提高传感器的导磁率，同时降低损耗。为了能够让铁芯工作在零磁通状态，必须要对铁芯进行补偿。这里使用深度负反馈技术以及相应的屏蔽措施，来保证铁性能够全自动得到补偿。本文设计的传感器工作在±12V或±15V电压源下，所能够检测的工频电流范围是100μA-700mA，输出电压在0～10V（交流峰值）范围内，而且比差控制在±0.01%，角差≤0.01°。BCT-2具有极好温度特性和电磁场干扰能力，完全满足本系统在电磁干扰下，需要获取的采样精确度。因此本设计电流互感器选用BCT-2型零磁通穿心小电流传感器。

2.2 温度传感器的选择。温度传感器主要用于对电子互感器内部的油温进行实时的检测并直观的显示在上位机上，用户可以从温度的角度来判断故障与否。DS18B20数字温度传感器使用的是一线接口方式，也就是说能够通过一条接线实现多点通信功能。这样就进一步的简化了分布式温度传感器结构，在实际使用过程中，不需要再外加任何外部元件，只需要通过数据总线，就可以达到提供电源的目的。DS18B20的数字温度计提供9至12位。

2.3 压力传感器的选择。通过实验可以验证，当温度在25℃时，1Pa的压强对电容量的影响控制在2.5327×10-4pF的范围内。然而正常的工作环境气体介质的压力在0.35MPa至0.5Mpa范围内，温度在-25℃～+50℃之间，所以采用SMC18B压力变送器即可满足设计要求。该设备是一种干式陶瓷压阻的表压变送器，其在使用过程中精度较高，稳定性好，而且具有抗过载冲击、干扰能力强等优点。其性能指标：供电电压5V，工作温度范围-40℃～125℃，测量范围0～0.5MPa，安全过载1MPa，爆破压力2MPa，输出电压范围0.5～4.5V，综合测量精度0.25%。实际使用过程中测得，设备内部压强为0.3MPa时，输出电压2.9027V；内部压强为0.45MPa时，输出电压4.1260V。压强的改变也会引起输出电压的变化，压强每变化1Pa，输出电压就变化8.0×10-6V。

2.4 电源模块设计。稳定的电源模块是系统稳定工作的前提和必不可少的条件。对电源模块要特别重视。LM317为三端可调的稳压器。在单相交流电进过整形滤波后，用LM317可以得到1.25V～30V可调的电压，最大工作电流为1.5A。

2.5 显示模块设计。检测数据的显示通过LCD1602液晶显示器来完成。LCD1602通过P0口与单片机相接，在电路的连接时要注意，单片机的P0口需要有1k的上拉电阻才能实现它的输入输出口功能。通过上图可以看出，本电路用8位的排阻与LCD1602相连接，液晶显示器的显示文字通过软件来实现。

参考文献：

[1]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用[M].北京：中国电力出版社，2004：102-103.

[2]凌子怒.高压互感器技术手册[M].北京：中国电力出版社，2004：153-154.