電子式互感器技術(shù)發(fā)展趨勢

創(chuàng)新者：蘇占江

電子式互感器技術(shù)發(fā)展趨勢

創(chuàng)新者：蘇占江

首先分析了電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用，隨后提出電子式互感器無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。期望通過本文的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)電子式互感器技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外對電子式互感器的研究多集中在采用羅氏線圈的電流互感器和電容分壓式電壓互感器上，這是因為上述兩種互感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，并且均進(jìn)入了實用化階段。故此，下面本文也以這兩種互感器作為研究對象展開論述。

工作原理

羅氏線圈電流互感器。對于光電電流互感器而言，其傳感頭采用的是羅氏線圈，它對電流互感器的測量性能具有非常重要的作用。羅氏線圈具有如下特點：測量線性度好、無飽和、反應(yīng)速度快、被測電流的位置對線圈本身的影響較小，也基本不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。采用羅氏線圈可以對變化速度較快的大電流進(jìn)行準(zhǔn)確測量，正是因為它的這一特點，使其在高壓側(cè)電流檢測與保護(hù)中獲得了廣泛應(yīng)用。

電容分壓式電壓互感器。這種互感器的基本工作原理如下：其高壓臂為電容C1，它所承受的電壓為UC1，互感器的低壓臂為電容C2，它所承受的電壓為UC2，被測系統(tǒng)的一次電壓為U1，按照基爾霍夫電壓定律可得：

因兩個電容是以串聯(lián)的方式相連接，故此按照電容的分壓原理，可得：

式（2）中的K代表電容分壓器的分壓比。通常情況下，只要C1和C2的電容量選擇適當(dāng)，便可獲得所需的分壓比，這便是電容分壓式電壓互感器的原理。

影響因素及補(bǔ)償

相關(guān)研究結(jié)果表明，電子設(shè)備對溫度變化十分敏感，無論是高溫或是低溫都會對其性能造成影響，如長時間的高溫會使半導(dǎo)體元件損壞。電子式互感器的工作環(huán)境當(dāng)中常常會出現(xiàn)高電壓和大電流，導(dǎo)體的發(fā)熱量相對較多，溫度也比較高，這樣一來便會對互感器的測量精度造成影響。為了確保互感器的輸出精度，必須采取有效的溫度補(bǔ)償措施。

電流互感器的溫度補(bǔ)償措施。通常情況下，溫度在較大范圍內(nèi)變化時，會使羅氏線圈的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生改變，這樣一來會直接影響到線圈的感應(yīng)電動式，從而導(dǎo)致輸出電信號的精度降低。解決該問題較為簡單且有效的途徑是對線圈進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在智能電網(wǎng)當(dāng)中，一次電流的頻率主要受諧波和故障的影響，此時電流的頻率會在幾赫茲到幾千赫茲之間波動，在這個頻帶內(nèi)線圈等效電感的感抗較小，故此在計算溫度補(bǔ)償時可將之忽略不計。將低溫漂精密電阻并聯(lián)在羅氏線圈兩端，便可在電路中形成線圈等效電阻和低溫漂精密電阻的串聯(lián)電路，由此能夠?qū)Ω袘?yīng)電動勢進(jìn)行分壓，從而抵消環(huán)境溫度引起的線圈電動勢變化。

電容分壓式電壓互感器的溫度補(bǔ)償措施。由相關(guān)研究結(jié)果可知，環(huán)境溫度變化對電壓互感器的影響非常嚴(yán)重，由于電子電路中所有元件的參數(shù)均不相同，所以，電壓互感器中的高低壓臂的電容參數(shù)也很難保持一致，當(dāng)受到外部環(huán)境因素影響時，便會表現(xiàn)出不同的運(yùn)行特性，由此一來會使電壓互感器的誤差進(jìn)一步擴(kuò)大。為了減小溫度變化引起的附加誤差所帶來的影響，可采取誤差擬合的方法進(jìn)行解決。具體做法是對電壓互感器進(jìn)行循環(huán)溫度測試，以此來獲取誤差分布點，并通過三次多項式擬合出一條附加誤差隨溫度變化的曲線，再將該曲線的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到FPGA的ROM當(dāng)中，借助溫度檢測模塊檢測環(huán)境溫度變化，并將檢測到的溫度值與ROM中對應(yīng)的誤差擬合曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而完成相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。

互感器的光電傳輸

按照對輸入模擬信號編碼原則的不同，可將互感器的光電傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為模式和數(shù)字兩類。其中模擬系統(tǒng)根據(jù)調(diào)試方式的不同又可分為三種方式，即振幅調(diào)制、頻率調(diào)制以及直接強(qiáng)度調(diào)制，這三種方式中，頻率調(diào)制的抗干擾性較強(qiáng)、線路簡單，以該方式對信號進(jìn)行調(diào)制的光電傳輸系統(tǒng)主要有發(fā)電電路、光路以及接收電路三個部分組成。

發(fā)射電路。該電路的載波頻率為5MHz，可調(diào)范圍在±1MHz。VOC（壓控振蕩器）是關(guān)鍵部件，它主要起到對測量信號進(jìn)行調(diào)頻的作用。通常情況下，VOC的輸出頻率升高時，其脈沖幅度會隨之減小，由此會導(dǎo)致發(fā)光二極管的光功率在高頻段內(nèi)比低頻段小，從而會對系統(tǒng)的線性度造成一定影響，故此，可在發(fā)光二極管驅(qū)動器前增設(shè)一個限幅電路，這樣能夠使輸入信號轉(zhuǎn)換為幅度相同的脈沖波，驅(qū)動電流便不會隨著頻率的改變而發(fā)生變化。驅(qū)動電路將脈沖序列信號的功率放大之后，便可對發(fā)光二極管的光功率進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而實現(xiàn)E/O轉(zhuǎn)換。

光路。光路的光纖可以采用多模光纖，其特點是光功率損耗較小；發(fā)光器件則可采用LED和PIN的組合。

接收電路。在該電路中，限幅器和濾波器是關(guān)鍵元器件，前者主要起抗干擾和抑制噪聲的作用；后者則是對時延微分電路的輸出信號進(jìn)行濾波。

電子式互感器無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

由于電子式互感器的使用場合多以高壓環(huán)境為主，加之整個測量過程常常需要對路數(shù)較多的電信號進(jìn)行同時測量，為此，應(yīng)當(dāng)使用無線傳輸技術(shù)，這樣能夠避免高壓絕緣以及連接線過多等問題。此外，可將互感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息經(jīng)由2.45GHz頻段傳給遠(yuǎn)端設(shè)備，因為該頻段不需要申請便可使用，而且傳輸距離遠(yuǎn)、速度快，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較高，組網(wǎng)成本相對較低。

系統(tǒng)框架

本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：電壓數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸管理、數(shù)據(jù)存儲、后期數(shù)據(jù)處理等，該系統(tǒng)主要是由信號檢測電路、單片機(jī)和無線收發(fā)模塊等幾個部分組成。單片機(jī)采用的是P89LPC938，無線收發(fā)模塊為nRF2401。

系統(tǒng)設(shè)計方法

信號檢測電路。該電路主要是由以下幾個部分組成：光電轉(zhuǎn)換、濾波放大、交直流分離。其工作原理如下：光信號經(jīng)由PIN二極管后會轉(zhuǎn)換成為比較微弱的電壓信號，放大電路則會將電壓信號成倍放大，然后交直流分離，直流分量經(jīng)過濾波后直接提取。相關(guān)研究結(jié)果顯示，輸出光信號中的交直流分量的比值約為所以必須進(jìn)行再次放大，因后端采用單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，因而可由其完成相關(guān)信號的采集工作，但必須闡明的一點是，該芯片只能夠完成單極性的采集，為了滿足使用要求，應(yīng)當(dāng)信號進(jìn)行處理。

單片機(jī)的軟硬件。單片機(jī)的主要功能有A/D轉(zhuǎn)換、無線的收發(fā)。因所測信號為直流信號，加之A/D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，因此可以直接采用單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，這樣設(shè)備的體積能大幅度縮小，開發(fā)成本也會有所降低。當(dāng)啟用單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道時，可對4路光信號進(jìn)行同時采集，為有效解決隨機(jī)噪聲對單片機(jī)工作過程的影響，可通過對信號的連續(xù)測量并求平均值的方法，獲得所需的數(shù)據(jù)信息，然后在對該數(shù)據(jù)進(jìn)行保存即可。

無線傳輸模塊。該模塊為nRF2401芯片。主機(jī)采集節(jié)點數(shù)據(jù)的方式為掃描，互感器節(jié)點接受主機(jī)發(fā)出的命令或數(shù)據(jù)，會直接進(jìn)入到中斷狀態(tài)，同時會發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。鑒于此，兩者間的通信方式可采用點到點。控制芯片上的CS和CE管腳可對無線數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)進(jìn)行控制，系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，會對CS、CE的實際狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)CS為低電平、CE為高電平，此時的系統(tǒng)為數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，而數(shù)據(jù)則會根據(jù)時序完成輸入。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，CE會從原本的高電平轉(zhuǎn)換為低電平，并開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；當(dāng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收時，會先將CE設(shè)置為高電平，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動校驗，以此來確定數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，如果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，管腳便會通知MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，同時從芯片中取出數(shù)據(jù)。

結(jié)語

綜上所述，隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，智能變電站越來越多，電子式互感器作為智能變電站中的重要設(shè)備，對其進(jìn)行合理選擇非常必要。本文重點研究了電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用，同時設(shè)計了電子式互感器無線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，期望能夠為實際工程應(yīng)用提供借鑒。

蘇占江

天津市大港油田電力公司南部分公司

蘇占江（河北省滿城縣人，1964-）男，中技，高級技師，主要從事微機(jī)變電站微機(jī)“五防”防誤操作解析等研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.029