一種電子式電流互感器的高壓側設計

王 瑋 賈明娜 張新慧 呂 攀

(山東理工大學電氣與電子工程學院1，山東 淄博 255049；山東科匯電氣自動化股份有限公司2，山東 淄博 255087；國網山東桓臺縣供電公司3，山東 淄博 256400)

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一種電子式電流互感器的高壓側設計

王 瑋1賈明娜2張新慧1呂 攀3

(山東理工大學電氣與電子工程學院1，山東 淄博 255049；山東科匯電氣自動化股份有限公司2，山東 淄博 255087；國網山東桓臺縣供電公司3，山東 淄博 256400)

針對母線供電方式的電子式電流互感器存在的問題，提出了一種高壓側電路的設計方法。該方法根據母線電流大小自動調節線圈初次級繞組的匝數比，使得在母線電流較大時能夠保證電源的穩定性和較低的電路熱耗，同時在母線電流較小時保證系統具有較小的供電死區。詳細分析了設計原理，具體介紹了軟硬件的設計方法，并通過實驗驗證了設計方法的有效性。

電子式電流互感器 母線供電 供電死區 熱耗 線圈匝數

0 引言

電流互感器是電力系統的重要設備，隨著電網電壓等級的提高，傳統的電磁式電流互感器已不能適應電力系統的發展，電子式電流互感器則由于具有絕緣可靠、測量范圍大、頻帶響應寬、體積小等優點而成為其理想替代產品。

在電子式電流互感器高壓側的供電方式中，使用CT從母線取能的方式已成為目前主要的實用方式，該方式存在如下不足：①母線電流較小時存在供電死區；②線路電流變化范圍較大導致電源的穩定性較差；③母線電流較大時，電路的熱耗使高壓側電路溫度升高，對電子器件的工作效率、壽命及系統的測量精度都將產生影響[1]。

使用降低高壓側電路功耗、選用高磁導率鐵心材料等方法能夠降低系統的供電死區[2-4]；對電源電路進行過壓保護及穩壓設計可以提高電源的穩定性[5]，但同時也帶來電路成本及復雜度的增加；使用可控硅分流等方案可以降低電路的熱耗[6]，但當電流很大時該方法效果不佳。

本文提出了一種高壓側電路的設計方法，根據母線電流大小自動調整線圈初次級繞組匝數比，有效解決了電源穩定性較差和電路熱耗過高的問題，同時又保證了較小的供電死區。

1 電路構成

本文所設計的電子式電流互感器的高壓側電路由鐵心線圈、電源電路、信號處理電路及線圈變比控制電路組成。鐵心線圈用于從母線取電；電源電路用于為電路的其他部分供電；信號處理電路從電源電路的二次電流中取出信號，并對其進行比較、放大、濾波、采樣等處理，最后送入發光驅動電路，將數字化的光信號通過光纖送至低壓側電路；線圈變比控制電路通過改變線圈次級繞組的匝數改變線圈初級和次級繞組的匝數比。

電路功能框圖如圖1所示。

圖1 電路功能框圖

2 電路分析

圖2為高壓側電路的原理框圖。鐵芯線圈利用電磁感應原理，從母線得到二次電流，二次電流經固態繼電器(SSR)流至電源電路。電源電路由整流濾波、電流/電壓轉換、電流泄放及DC/DC變換電路構成；信號處理電路由信號提取、信號比較、程控放大、信號濾波及發光驅動電路構成；線圈變比控制電路由繼電器驅動及固態繼電器構成。CPU作為電路的控制中心，其作用包括：(1)通過監測信號比較電路的輸出，判定當前母線電流所處的等級；(2)根據判定的電流等級輸出相應的控制信號，使程控放大器(PGA)按照相應的增益對信號進行放大；(3)根據信號比較電路的輸出確定要輸出的控制信號，使各繼電器按照設定的邏輯閉合和斷開，由此改變線圈次級繞組的匝數，從而改變線圈初次級繞組的匝數比；(4)控制ADC對濾波后的信號采樣，采樣后的信號經CPU編碼后送入發光驅動電路。

圖2 高壓側電路原理框圖

2.1 電源電路

如圖3所示，二次電流經過繼電器流至電源電路。首先進入由肖特基二極管構成的全波整流電路，將交流電流信號變換為直流電流信號，再通過電容C1為整流后的信號濾波，電容容量越大，濾波效果越好，系統的能量損耗也越小。電阻R2、穩壓管D2及三極管Q1用以將電流轉換為電壓并形成電流泄放回路。當母線電流大小超過供電啟動電流時，對應的二次電流進入使經穩壓管D2穩壓的電流范圍，即可獲得穩定的電壓輸出。R2起限流作用，Q1作為調整管使用，其集電極和發射極的導通電阻會隨其流經電流的大小而變化，從而形成多余電流的泄放回路，Q1發射級的電壓最終穩定在7 V。HT7150作為DC/DC模塊，用于輸出電路需要的電壓。Q1構成的電流泄放電路是電源電路的關鍵，實際過程中，二次電流會隨母線電流的增大而增大，電路的泄放電流也相應增大，導致Q1發熱比較嚴重，這是造成電路熱耗過大的主要原因，而本文設計的在母線電流較大時自動調節線圈初次級繞組的匝數比，從而將二次側電流控制在一個較小的數值和變化范圍內的方法，則很好地解決了這個問題。

圖3 電源電路原理圖

2.2 信號處理電路

信號處理電路原理如圖4所示，首先使用1∶100的小CT從二次電流中提取電流信號，再通過并聯電阻R1將電流轉換為電壓信號，使用小CT從二次電流提取信號比使用專用的取信號線圈成本更低、系統體積更??；信號經電容隔直后送入電壓比較器，由于本設計將電流分三個等級，因此該信號要同時與兩個電壓比較器的參考電壓相比較，參考電壓Vref1和Vref2的大小設定為母線電流三個等級臨界電流最大值對應的電壓值。比較器的輸出直接被CPU的引腳P1.1和P1.2所監測，CPU根據監測值確定輸出給程控放大器的控制信號值，控制信號由引腳P1.5和P1.6發出。該電路中對電流等級的判定使用了CPU根據比較器的輸出值判定的方法，該方法具有比用CPU采樣后再判定更快的速度。為了提高信號的濾波效果及采樣分辨率，進而保證系統的精度，信號在進行比較的同時進行程控增益放大，放大倍數與線圈繞組匝數比相對應，程控放大器使用PGA205，這里使用其1、2、4倍增益，電流大小與信號增益倍數的選擇關系如表1所示。放大后的信號送入濾波器，以濾除信號中的噪聲及線圈繞組匝數比變化時產生的毛刺信號，這里使用截止頻率為13次諧波的二階有源濾波器。此后，信號還要經采樣、CPU編碼后送入發光驅動電路，將代表母線電流大小的數值以數字光脈沖的形式通過光纖送至低壓側電路，P2.6為CPU的采樣引腳。

圖4 信號處理電路原理圖

表1 電流與信號增益倍數選擇關系

2.3 線圈變比控制電路

繼電器驅動電路原理如圖5所示。將鐵芯線圈的次級繞組設計為3個引出端，CPU根據信號比較電路的輸出判定當前電流應處的等級后，通過控制相應的固態繼電器接通來改變次級繞組的匝數，從而達到改變初次級繞組匝數比的目的。本設計將母線電流分為3個等級，分別用CPU的P2.0、P2.1和P2.2引腳作為控制信號接通次級的a、b和c端。

圖5 繼電器驅動電路原理圖

3 關鍵問題處理

3.1 電流等級劃分

將本設計應用于額定電流為400 A的10 kV母線。如表2所示，當母線電流較小時，使用較小的次級繞組匝數可保證較小的供電死區；隨著母線電流增大，逐漸增大次級繞組匝數。由此可見，當母線電流在1～120%的額定電流范圍內變化時，通過線圈次級繞組匝數的自動調節，可使二次側電流始終在150 mA以內；當母線電流為額定的400 A時，二次側電流僅為100 mA；若母線線路出現短路故障，雖然此時電流最多可達到額定電流的20倍，相應的二次側電流也很大，但由于故障電流的持續時間非常短，其熱耗不會對電路產生影響。

表2 母線電流與二次側電流關系

由于對線圈設定了1∶1 000、1∶2 000及1∶4 000三種初次級繞組匝數比，且系統已對1∶2 000和1∶4 000初次級繞組匝數比的信號分別進行了2倍和4倍的放大，因此對互感器標定時以1∶1 000為基準。

3.2 CPU的工作邏輯

CPU作為系統的控制核心，其工作邏輯也是系統設計的關鍵問題。CPU工作邏輯如圖6所示。

圖6 CPU工作邏輯圖

CPU首先通過監測電壓比較器的輸出對母線電流當前應屬于的等級進行判斷，判定后，不管其當前等級是否與其應該使用的初次級繞組匝數比相一致，CPU都要先對電流采樣、計算及編碼，盡管這樣會使母線電流與繞組匝數比的關系出現與表2不一致的情況，但是可以保證CPU對當前電流值計算的正確性。同時，該時刻到次級繞組匝數改變的間隔時間極短，對電源電路造成的熱耗也可以忽略。以上操作完成后，若需要改變次級繞組匝數，CPU再發出控制信號實現次級繞組匝數的改變，同時控制PGA實現增益倍數的相應改變，繼電器與PGA的動作時間要一致。實際中，由于繼電器動作要慢于PGA，因此對控制信號的發出使用“先繼電器，后PGA”的順序，兩次控制信號的發出使用一個微小的時間間隔，以使兩者的動作時間同步，延時時間根據PGA芯片和繼電器類型測量得到。

4 系統測試

系統的CPU使用超低功耗單片機MSP430F149，其功耗僅為0.6 mW，且集成了12位的ADC；線圈鐵芯使用相對磁導率μ=7×104的鐵基納米晶材料，電路其他芯片均選用低功耗芯片。用等安匝法模擬0～1 000 A的母線電流對電路進行測試，系統的初始化繞組匝數比設定為1∶1 000，當母線電流升至6 A時電路即可穩定工作，隨著母線電流增大，繞組匝數比變為1∶2 000。當電流達到額定的400 A時，繞組匝數比變為1∶4 000，此時二次側電流為100 mA，電源電路的熱耗明顯降低，即使電流達到1 000 A，在短暫的時間內，電路的熱耗對系統也沒有影響，說明了本設計的有效性。

5 結束語

本文提出的電子式電流互感器的高壓側電路的設計方法，通過監測母線電流的大小自動調節線圈初次級繞組的匝數比，使次級繞組匝數隨著電流的增大而增大，保證系統在小電流時具有較小的供電死區，在大電流時又具有較小的熱耗，同時也可保證電源的穩定性。對電路的設計原理和設計方法進行了詳細介紹，通過實際測試驗證了設計的有效性。本設計可應用于10 kV測量、保護用電子式電流互感器的設計。

Design of the High Voltage Side for Electronic Current Transformer

Aiming at the problems existing in electronic current transformer which is powered by bus bar,the design method for the circuit of its high voltage side is proposed.With this method,the turns ratio of primary and secondary windings is automatically adjusted in accordance with the current of bus bar,this can ensure the stability of power supply and lower heat loss of the circuit when the current of bus bar is larger,in addition,it may make smaller dead zone of power supply when bus bar current is smaller.The design principle is analyzed in detail,the design of software and hardware is introduced,and the effectiveness of the design method is verified through experiments.

Electronic current transformer Power supply by bus bar Power supply dead zone Heat consumption Coil turns

國家高技術研究發展計劃(863項目)基金資助項目(編號：2012AA050213)。

王瑋(1983-)，男，2007年畢業于山東大學信號與信息處理專業，獲碩士學位，講師；主要從事電氣測量技術、嵌入式系統設計方面的研究。

TH86;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601020

修改稿收到日期：2015-05-08。