计量电流互感器二次回路在线监测技术研究

曹 宇

（云南电网有限责任公司昆明供电局）

0 引言

针对目前电流互感器二次回路难以进行实时监控的难题，本文拟利用电流互感器的10kHz阻抗特性，研究电流互感器二次回路的10kHz阻抗特性，并将其与环境温度和二次电流相结合，进行二次回路的10kHz阻抗特性的实时监控，实现了对二次系统的实时监测。从变流器变比、环境温度和二次电流三个方面对所提出的技术方法进行了实验研究。与其他技术方案相比，其优势体现在：该技术是利用小型互感器将10kHz的信号注入到二次回路中，从而实现对二次回路的直接监控。该技术具有精确度高、实时性好、技术稳定可靠等优点。此外，它还能有效地避免50Hz的工作频率，不影响测量结果，并能实现长期在线监测。同时，对环境温度和二次电流的影响也不大。

1 装置研制

1.1 微型互感器组

采用一种新型的微型互感器，实现了对电流的输入和测量。高频讯号处理部用以执行激发讯号的驱动及回应讯号的处理。其中，向量运算与状态辨识部分完成了回路阻抗的运算与回路的状况辨识［1］。高频激发讯号为10kHz，避免了50Hz的工作频段，既保证了二次回路正常工作，又不会对测试的准确性造成影响。将Ug0与Ug2区别开来，分别用作注射电压信号。

由PT、CT构成的微型互感器组是互感器二次在线监控的核心部件，其磁心的选取对互感器群的运行有很大影响，当前常用的铁心材质有硅钢片、斜莫合金、铁氧体和超微晶等。

1.2 高频信号处理单元

当初始相对磁导率为1000的时候，硅钢板的饱和磁密能达到2T，工作频率只有400Hz；坡莫合金具有800多万的起始相对磁导率，工作频率可达8kHz左右，其饱和磁密度只有0.5T左右；该铁氧体具有良好的频率性能，可以达到1MHz，但是其磁导率并不高，初始的相对磁导率只有2000，并且其饱和磁密度很低，通常低于0.5T；结果表明：该超晶体具有良好的频谱特征，在100kHz左右，饱和磁性密度在1.2T左右，初期相对磁导率在50000左右。总的来说，由于超微晶材料的各种特性相对平衡，并且考虑到成本、材料结构强度和稳定性等因素，所以microPT和microCT都选择了超微晶材料。

由于二次回路的输出是mV～μV，与二次电流相比很弱，所以在二次回路中，如何从系统的噪音中抽取出10kHz的频率是一个关键问题。在探测电路中，使用了一个前级放大电路和一个四阶巴特沃斯高通滤波电路，采用放大器与滤波器相结合的方式对检测线路进行了信号处理。四阶巴特沃斯高通滤波电路滤波器的截止频率为5kHz，放大倍数为25倍，对工作信号的干扰进行了较大程度的抑制，并对10kHz信号进行了有效的放大。该电路选用了德州仪器OPA2277作为运算放大电路的核心电路。

该信号检测电路还包含一个程序控制放大电路，一个低通滤波电路，以及一个模数转换器（ADC）驱动电路。该系统采用了亚德诺公司生产的AD8253ARMZ型可调节的可编程放大器，该放大器采用了1／10／100／1000的可调节级数；用于过滤经由二次回路耦合器及该电路自身产生的高频率噪音的低通滤波器，其具有15kHz的截止频率；模数转换器的驱动电路把输出的幅度放大到一个适用于ADC数据处理的幅度。

1.3 矢量计算及状态识别单元

该电路由放大电路、高通滤波器及绕组驱动电路等构成，用于放大10kHz的激发信号，提升其带载容量，并将其输出至二次回路，实现对10kHz激发信号的有效抑制。

矢量计算及状态识别单元硬件核心芯片使用的是以32位ARMCortex-M4为基础的嵌入式处理器STM32F303CCT6，这是一种拥有数字信号处理器（DSP）和浮点计算单元（FPU）指令的MCU，还添加了新的浮点、DSP、并行计算等功能，能够满足向量计算的需求。该芯片拥有大量的周边装置，包括了2个12位数字输入、电压输出型数字模拟转换器（digital to analog converter，DAC）模块、13个16位的计时器、4个12位的ADC模块等，这些都能很好地减少硬件费用。EEPROM中的资料为10kHz的二次回路的阻抗，以及在原位首次加电时被写入的环境参数。在此基础上，本文创新性地提出了一种利用单片机对DAC输出幅度和程序放大增益进行综合调节的新型单片机系统，根据测量到的数据幅度，对二次回路的10kHz阻抗在10～100kHz之间的波动进行了较大幅度的调节。能扩大检测的动态范围，使信号的增益变得更好，从而使检测的准确度更高。DAC的输出振幅可调节到整个量程的1%～100%。

在二次回路10kHz的阻抗计测电路中，DAC定时驱动（1MHz的触发器），将10kHz的正弦波信号输入到DAC中，一路ADC对输入的激发信号进行取样，而另外一路ADC则对被取样的信号同时进行取样，两路ADC的取样频率均达到5MHz，采用超取样技术，将取样精度提升到16bit（4次超取样，可提升1bit），每次收集2000个数据，得到了激励、响应的振幅和相位等相关数据，矢量法得到了二次回路10kHz的阻抗。

二次环阻抗的校正和测试是同时完成的。该系统的补偿由两部分组成，在－40～60℃的范围内，采用5级的温度补偿，按50%的额定值，将其分成2级。在阻抗补偿电路开始之后，一路ADC会对环境温度进行采样，并对目前的环境温度进行计算，同时，另外一条模数转换器将采集电力系统频率上的电压信号，并对当前的二次电压信号进行处理，MCU会根据环境温度、二次电流对目前的测量阻抗进行补偿［2］。

2 试验结果与分析

通过对互感器变比、二次电流、环境温度三个方面的分析，对互感器变比、二次电流等三个方面的影响进行了研究。在二次通断的情况下，回路的阻抗是无限的。在没有电流的情况下，导线长度为4m，额定负载，环境温度为25℃时，利用监控设备在串口上记录二次回路在10kHz时，在各种情况下的阻抗值［3］。

当二次线圈处于常数连接状态时，测量得到的阻抗角为a。由数据可以看出，在正常连接时，fx、δx为测量系统的精度，均满足｜fx｜＜2%，｜δx｜＜3℃；当二次端为短接线时，回路的阻抗不随比例的改变而改变，且均符合｜Zloopd｜＜0.2Ω；在一次旁路情况下，二次端的短接阻抗和普通接线阻抗之间存在着很大的级数差异，并且符合1.75＞4.3x＞0.7的公式；如果是二次断开，则只满足标准的阻抗连接电阻识别在｜Zloopk｜＞100000的要求。在常温、无二次流等测试情况下，用普通变比值电流变压器组成的二次电路，其识别特性十分明显。

能够对各个连接状态进行有效的鉴别和辨识。由资料可知，在一般情况下，在二次电流低于50%I2n的情况下，回路的阻抗会受到很小的影响，但是一旦大于50%I2n，回路的阻抗会逐渐减小，而当二次电流达到120%I2n的时候，其阻抗会减小至没有电流的10%左右，此时fx，δx略有增加，但是控制｜fx｜＜3%、｜δx｜＜2°以内，因此对整个电路几乎没有任何影响。二次侧的短接和一次侧其阻抗基本不受影响。

T是环境中的气温，单位为℃。由实验结果可知，在无故障情况下，回路阻抗受环境温度的影响很大，且随环境温度的下降而递减；在较低温度下，fx，δx略有增加，但如果控制｜fx｜＜3%、｜δx｜＜2℃，对温度的影响会很小。结果表明，二次端断点及一次侧旁通电阻值与原边旁通电阻值相差不大。

通过三套试验资料的对比研究，本文提出了在30／5～2000／5，工作温度－40℃～60℃，二次电流0～120%I2n等工作条件下，准确测定二次回路10kHz的电阻，结合合适的识别特征量fm、δm、｜Zlm｜、｜Zhm｜、υn和υm，从而实现二次回路各个联接状态的辨识，并在大批量生产时通过调试工具对各个辨识特征量进行辨识。与现有技术方法相比，该方法可以实现二次回路阻抗的量化分析，具有更高的故障辨识率，更广泛的工况适用范围，更强的技术可靠性，更大的技术深度开发潜能［4］。

3 结束语

本文将研究一种新型的10kHz回路状况在线监控系统，其核心芯片将使用32位ARMCortex-M4芯片，集成DSP与FPU指令的混合信号单片机，提高其对10kHz电流信号的计算与并行处理能力。试验证明，本系统能在整个工作状态下，精确地辨识出互感器的正常联接状态、二次端子短接状态、二次断开状态以及一次旁路状态。其优点是：可靠性高、应用面广、实时性好、硬件费用低廉；尺寸小，不影响电能测量，可与电能表、专变终端等装置联机工作，适合于通过电流互感器接入的电能计量系统，可以进行大规模的推广。缺点是该设备在出厂之前必须经过比较繁锁的调试，还有待进一步改进。