高压开关柜电流在线测量

陈　田，程武山

(上海工程技术大学机械工程学院，上海　201620)

0　引言

高压开关柜是在电力系统中起通断、控制或者保护等作用的重要电气产品，由于长期在高电压、大电流和满负荷的条件下运行[1]，对高压开关柜母排电流进行实时的测量对整个电力系统的正常运行有着至关重要的作用。传统10 kV高压开关柜中采用电磁式互感器测量母排电流，由于电磁式电流互感器动态范围较小，大电流通过时易发生磁饱和现象，进而导致二次输出信号波形畸变，无法实现对大动态电流的准确测量[2]。近年来，国内外出现了很多新的电流测量方法，如采用霍尔传感器间接测量母排电流，但由于霍尔传感器难以同时满足大范围与高精度的要求，使得该种测量方法存在局限性[3]；基于法拉第旋光效应的光电互感器有很好的绝缘特性和抗干扰特性，而精度有待提高[4]；Rogowski线圈具有精度高、测量范围大、质量轻等优点，但由于其成本较高，频谱响应不好，目前还只是在实验系统中使用[5]。

随着磁传感技术的发展，使采用磁传感技术测量大电流的方法成为可能。目前广泛应用的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等。其中基于磁电阻效应的传感器由于其高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点正在取代传统的磁传感器。目前市场上磁电阻传感器芯片是基于各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)效应而开发的，由于TMR磁传感器集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR传感器具有技术优势[6]。

采用TMR磁传感器测量高压开关柜母排电流，研究传感器输出电压与被测电流的线性关系。这种方法测量精度高、响应速度快、绝缘性好、体积更小、成本更低，较好地实现了对高压开关柜电流的测量，因而应用前景较好。

1　测量原理与方法

1．1隧道巨磁阻(TMR)效应

在磁性膜-非磁性膜-磁性膜结构中，磁场的微弱变化可导致其电阻率发生20%～30%相对变化，而当在磁性薄膜中间夹一层很薄(0．7 nm)的绝缘层结构时，其磁电阻相对变化更大，可以达到30%以上，对磁场的灵敏度更高，电子可以遂穿极薄的绝缘层，保持其自旋方向不变，这就是隧道巨磁电阻(TMR)效应[6]。

在磁性多层膜中，较强的层间交换耦合，使相邻层从磁矩平行排列到反平行排列或从反平行排列到平行排列时需有较高的外磁场，因此磁电阻的灵敏度非常小。但当两磁性层被非磁性层隔开后，相邻的铁磁层不存在(或很小)交换耦合，较小的磁场就可使相邻层从平行排列到反平行排列或从反平行排列到平行排列，引起磁电阻变化[7]，因此基于TMR效应的传感器能敏感感知与磁现象有关物理量的变化，并将其转化为电信号进行检测。

1．2TMR磁传感器电流测量原理

根据安培定律，电流流过无限长导线时在其周围产生磁场，周围某点的磁场大小B与该点和导线的垂直距离d成反比、与导线上流过的电流大小I成正比[8]。将高压开关柜母排看成无限长导线，在用磁传感器对母排电流进行测量时，该定律同样适用。

TMR磁传感器采用TMR多层膜通过现代集成工艺制成，内部包含4个高灵敏度TMR敏感电阻，采用推挽式惠斯通电桥结构设计[6]。当母排电流产生的磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出，该输出电压在一定范围内与母排电流大小成线性关系。

1．3TMR磁传感器电流测量方法

采用TMR磁传感器测量高压开关柜母排电流，传感器所在点的磁场强度B∝I/d，可表示为

B=k1·I/d

(1)

式中k1为常系数。

由TMR传感器输出特性可知，在一定电流变化范围内，输出电压与该点磁场强度成线性关系，可表示为

u=k2·B+c

(2)

式中k2、c均为常系数。

如令k=k1·k2，则传感器的输入输出关系可表示为

u=k·I/d+c

(3)

式中：k为常系数；I为高压开关柜母排电流，A；d为传感器与母排的距离，cm；u为传感器输出电压的峰峰值，V．

在确定TMR磁传感器输入输出关系式中系数k、c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到高压开关柜母排电流大小，实现对母排电流的测量。k、c的值在实验中通过电流标定确定。由于高压开关柜每项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，在计算每项传感器输出电压时，需将其他两项母排电流产生的磁场影响去除。

2　测量系统

2．1测量系统的总体构成及工作原理

高压开关柜电流在线测量系统总体构成如图1所示。

图1　测量系统的总体结构示意图

测量系统硬件结构主要包括：TMR磁传感器供电和信号输出电路、信号处理电路、A/D转换单元、CPU及其外围单元[9]。其中TMR磁传感器采用MMLP57H型传感器；A/D转换器采用MAX197；CPU采用S3C2440；触摸屏显示控制芯片为ADS7843[10]。

测量系统工作时，TMR磁传感器感应母排电流产生的磁场，输出正比于磁场强度的电压信号。信号处理电路对传感器输出信号进行滤波降噪处理，并将处理后的信号传送至A/D转换器，A/D转换器对每通道的模拟信号以最高2 MS/s的速率采样，并将其转换为16位的数字量送至CPU存储计算，计算结果在屏幕上显示为波形和数字。

2．2TMR磁传感器电流测量节点硬件电路

TMR磁传感器电流测量节点硬件电路包括传感器供电电路和电压信号输出电路。采用工作电源模块对传感器进行供电，对外接220 V交流电经降压、整流和稳压处理转变为+5 V的直流电压供给传感器。传感器采用SOP8形式封装，已规定好各引脚功能。设计中采用2种不同端口形式的信号输出方式。硬件电路如图2所示。其中V+、V-为模拟差分输出引脚。

图2　TMR磁传感器电流测量节点硬件电路

2．3信号处理电路

由于受到传感器本身和板上电路的影响，传感器输出信号中包含复杂的高频噪声信号。在采样电路进行采样前，需对传感器输出信号进行滤波降噪处理。采用在低频范围滤波应用中具有十分优良性能的压控电压源低通滤波电路，实现传感器输出信号的降噪处理，增强输出信号的稳定性和可信性。压控电压源低通滤波电路如图3所示。

图3　压控电压源低通滤波电路

2．4模数转换和CPU外围介绍

测量系统的A/D转换器采用MAX197，带有8路模数同步转换通道，在测量通道和采样速率上均有较大冗余，方便以后扩展系统。时钟电路用于启动A/D转换，保证数据为等间隔采样。CPU外围电路包括串口通信接口电路、液晶接口及附属电路和触摸屏驱动电路。

2．5TMR磁传感器的安装和信号走线

由于开关柜内的强电磁环境，传感器的安装及信号走线对测量结果产生较大影响。应将传感器安装在原电流互感器位置，远离真空断路器，并且可以外加导磁环，使其敏感感应磁场变化。信号传输线缆采用屏蔽双绞线。由于开关柜柜体结合处存在电磁泄漏，因此要避免弱电信号沿母线室结合处走线，特别是要避开母线室中的金属尖锐面，远离其他一次电气元件和二次走线区域。在离结合处3～5 cm处安装专门的封闭式信号走线槽，且选用导磁率较高的金属材料[11]。

3　系统软件

系统的软件设计包括驱动程序和应用程序设计。其中应用程序主要包括数据处理和人机界面程序。数据处理过程主要进行数据同步化和数据计算。人机界面主要显示测量电流的有效值、峰峰值和波形[9]。系统的软件流程如图4所示。

在开始采集传感器输出信号前，系统进行初始化处理，其中包括：判断上一次试验是否结束、数据同步化处理和检查系统硬件是否正常运行。系统初始化完成后，需根据实际情况设置采集通道、量程及选择触发方式。为了更好地反应母排电流的大小和变化情况，设置每次测量循环采集次数为5次。循环采集完成后，CPU即完成电量参数的计算和数据存储，并通过数据输出模块显示计算结果和波形。

图4　测量系统软件流程

4　实验与分析

4．1实验装置与实验方法

采用大电流发生器将市电降压升流送至10 kV高压开关柜。将母排表面沿横向等分为6段，每段长10 mm，对应标记7个点，运用高斯计测量各点的磁场强度，分析与母排电流的关系。实验发现第1个点和第7个点的磁场强度随母排电流变化跳跃很大，说明传感器应尽量避免安装在母排边缘。选择母排中间位置安装传感器。考虑到高压设备中的爬电距离要达到10 cm以上，所以传感器相对母排的放置距离不宜小于10 cm．另外，实验发现当传感器相对母排放置距离大于15 cm时，输出发生较大失真，因此，传感器相对母排的放置距离应保持在10～15 cm之内。

4．2线性范围和线性度

对A相电流进行测量分析，在0～1 200 A范围内调节大电流发生器输出电流，步进量为20 A，实验重复5次，研究距离母排10 cm和13 cm时传感器的线性范围和线性度。将5次重复实验传感器输出电压峰峰值的平均值与实际电流的平均值进行线性拟合，结果如图5(a)所示。当传感器在10 cm处放置时，线性范围为0～900 A，而在13 cm处放置时，线性范围不小于1 200 A．由此可得，在距离母排不同位置放置时，传感器线性范围不同，且在不超过传感器输出失真的距离范围内，增大其与母排间的放置距离，可增加输出的线性范围。

将传感器在不同放置位置线性范围内的数据进行一元线性拟合，求出拟合曲线的回归方程和线性度离差，如图5(b)所示。由处理结果可得，在线性范围内，传感器的输出能保持较高的线性度。

(a)线性范围

(b)线性度

4．3重复性和测量精度

取传感器距离母排10 cm处线性范围内的数据进行重复性分析。将5次重复实验数据进行一元线性拟合，观察5次实验的重复性，结果如图6(a)所示。由分析结果可知，传感器的重复性较好，性能较稳定。将该位置处传感器的测量电流与大电流发生器的实际输出电流进行相关关系分析，结果如图6(b)所示。通过分析可知，传感器的测量电流与大电流发生器的输出电流成很好的线性关系，两者基本相同，说明传感器的测量精度较高。

(a)重复性

(b)测量电流的相关关系

4．4非线性范围特性分析

采用同样的实验方法研究传感器在10 cm处放置时非线性范围内的特性。大电流发生器输出电流范围为0～1 300 A，取1 100～1 300 A内输出结果作为分析对象，结果如图7所示。由分析结果可知，传感器在非线性范围内输出特性发生了较大变化，输出呈现无规律性，且5次重复实验的实验结果相差较大，重复性非常差。由此可得，传感器在非线性范围内，输出结果发生了较大失真。因此，在选用和安装传感器时要注意传感器的线性范围及传感器与母排间的放置距离，以使其能准确测量较大的电流。

图7　非线性范围特性

4．5实验方法改进

由上述A相电流测量分析可知，在TMR磁传感器线性范围内，传感器的线性度和测量精度较高，重复性较好，性能较稳定。但是考虑到在实际运行过程中，高压开关柜内的强电磁环境以及电网中存在的干扰影响，在以后的实验中，需对实验方法作如下改进：

(1)在其中两相分别接通和同时接通而第三相无电流通过时，研究无电流相传感器的输出情况，分析两相电流产生的磁场对无电流相传感器的影响；

(2)添加谐波干扰分量，分析传感器的线性度、测量精度和重复性，研究此种情况下传感器的性能稳定性；

(3)研究采用磁传感器阵列测量母排电流的方法，建立磁传感器阵列的数学模型和拓扑模型，使高压开关柜电流测量更加精确。

5　结束语

磁测量是电力系统中一种新兴的测量方法，以非接触、低功耗、低成本的优点引起了广泛注意。文中以10 kV高压开关柜为背景，介绍了一种基于TMR磁传感器的高压开关柜电流测量方法，克服了传统电流互感器在电流测量上的不足和缺陷。运用实验的方法对测量系统进行了验证，并研究了传感器的测量性能，提出了实验的改进方法。未来还需要将各种误差因素引入到实际测量中，进一步提高磁传感器的测量精度，使之能够得到工程应用。

参考文献：

[1]徐明，阳宪惠．高压开关触头温度无线监测系统．测控技术与仪器仪表，2009(4)：98-101．

[2]张华伟，孙越强．几种非侵入式电流测量技术．现代电子技术，2005，21(1)：80-83，88．

[3]谢完成，戴瑜兴．一种新的基于霍尔传感器的电流测量方法．电子测量与仪器学报，2012，26(8)：705-709．

[4]王延云，罗乘沐，田玉鑫．电力系统中光电电流互感器研究．电力系统自动化，2000，24(1)：38-41．

[5]乔卉，刘会金，王群峰，等．基于Rogowski传感的光电电流互感器的研究．继电器，2002，30(7)：40-43．

[6]吕华，刘明峰，曹江伟，等．隧道磁电阻(TMR)磁传感器的特性与应用．磁性材及器件，2012，40(3)：1-4；15．

[7]孙以材，刘新福，宋青林．基于GMR及TMR效应的磁随机存储器的最新应用开发．半导体技术，2001，26(6)：46-50．

[8]郑瑞晨，张玉花，秦亮，等．基于巨磁阻的电力系统三相电流测量及其应用．电测与仪表，2004，41(10)：19-23．

[9]程武山，高升．应用于低压断路器测试的自动化测控系统设计．制造业自动化，2011，34(8)：46-48．

[10]孔五阳，徐群．MAX1320在同步向量测量中的应用．微计算机信息，2007，23(2)：290-291．

[11]王小华，荣命哲，徐铁军，等．中压开关柜在线监测系统硬件抗电磁干扰研究．高压电器，2007，43(5)：321-324．