數字化全量程CT在避雷器監測上的應用

南京世都科技有限公司 顧金國

南京工業職業技術學院 電氣工程學院 王露露

數字化全量程CT在避雷器監測上的應用

南京世都科技有限公司 顧金國

南京工業職業技術學院 電氣工程學院 王露露

介紹一種基于零磁通技術的微小電流(Amin=10uA)互感器和基于羅氏(Rogowski)線圈的沖擊電流(Imax=1MA)互感器兩者技術融為一體的單匝穿心超寬電流量程數字互感器。該成果成功應用在氧化鋅避雷器的在線監測系統上,系統已在南方220KV電網正常運行，該互感器實際標定測得小電流精度0.2級，羅氏線圈沖擊電流1～150KA精度0.5級。

零磁通；羅氏(Rogowski)線圈；快速傅里葉變換(FFT)；Matlab；GPRS；避雷器；單匝穿心

1.引言

對于國家電網的輸配電的安全，金屬氧化性避雷器(MOA)是當今電網防護的關鍵部件，因MOA長期戶外工作會使其泄漏電流持續增加，引起劣化；特別是泄漏電流的阻性分量、雷擊、沖擊過電壓的影響更為顯著。上述諸多因素可見MOA在線監測顯得十分重要。因此研制一款穿心式微小電流和大沖擊電流一體的智能互感器，該類互感器能方便電力系統電氣絕緣強度測量具有非常重要的意義。

零磁通電流互感器就是鐵心沒有磁通的互感器。利用一個疊加在主互感器上的輔助互感器提供反電動勢來補償阻抗產生的壓降,從而不需要主互感器的磁通提供電動勢就可實現零磁通。這種方案稱為電動勢零磁通補償,無需外部電路提供電動勢,可以做到無源補償。本文中設計的電流互感器采用電動勢零磁通補償,達到了0.2級精度,最小測量電流10uA。

羅氏(Rogowski)線圈是用導線在非導磁材料的骨架上繞制而成的，具有重量輕、頻帶寬、線性度好且無磁飽和現象、輸出功率低、結構簡單、線性特性良好等特點。因而成為高壓現場中測量交流、暫態和脈沖等不同性質大電流的首選敏感器件。本文中設計羅氏線圈采用自積分與外積分相結合的方式，標定精度0.5級。

上述“零磁通技術”與“羅氏線圈”應用結合，兩線圈設計在同一金屬殼體內，通過內置ARM7(STM32L152)低功耗CPU數據采集與傳輸，該結合形成了新型的數字化全量程電流互感器。該傳感器外接電源管理模塊及數據處理模塊(DTU)、氣象模塊，DTU把測量數據傳輸到遠端服務器,用戶可以通過服務器端上位機軟件或WEB靈活訪問，系統完美融入智能電網中。

圖1　MOA在線監測系統框圖

2.系統結構框圖

圖1為避雷器在線監測系統，本系統主要由數字化全量程電流互感器、數據單元、氣象模塊、供電單元和后臺監測系統組成。數字化全量程電流互感器采集MOA回路的電流信號，內部CPU通過加漢寧窗(Hanning窗)的快速傅里葉變換算法，分析監測220KV、500KV高壓、特高壓氧化鋅避雷器的全電流、三五七次諧波、阻性電流、沖擊電流峰值、沖擊類型、沖擊次數等數據，這些數據經RS485總線送至數據單元，數據單元匯集溫濕度、GPS的經緯度等相關信息通過GPRS傳輸到后臺監測系統；后臺監測系統顯示相關信息，并設置預警、報警等功能。本系統增強了線路避雷器運行的安全性和可靠性。值得提出的是供電方案中實施了多種取電方式：1 AC220V、2太陽能、3 CT電源從母線中取電。其中單晶硅太陽能面板結合鋰電池方式，根據系統功耗經合理的配置太陽能面板功率和鋰電池的容量，能保證系統持續常年陰雨天不間斷工作。

3.無源零磁通電流互感器原理

采用分路短路匝補償可以同時補償比差和角差。如果磁分路鐵心截面積顯著增大,短路匝數也顯著增大,在短路匝上接上負荷阻抗,那么磁分路短路匝就成為一個輔助電流互感器,就得到輔助互感器電動勢補償,其原理如圖2零磁通互感器內部結構所示。系統由主鐵心I、輔助互感器鐵心II、次級線圈N2 和輔助互感器線圈Nb2組成。N2在2個鐵心上同時繞制，但在輔助鐵心II上少繞Nb匝。

換算后主鐵芯的感應電動勢：

主線組勵磁需要自身提供，這就是互感器誤差的來源，本文所述“零磁通”概念是用輔助線圈來給主線圈勵磁，主線圈沒有任何損耗，從而提高了測量精度。校驗儀測試零磁通傳感器的相位差在0.05’左右。次級和初級電流的比值等于額定電流比，相位相差180°，次級電流能精確的反映初級電流的大小和相位，得到高精度電流互感器（見圖2）。

4.羅氏線圈原理

圖3為具有圓形骨架的Rogowski線圈原理結構圖。其輸出電壓e正比于被測電流的變化率。式中：M為感應出的電壓與被測電流間的比例系數；i為被測電流，通過對Rogowski輸出電壓的積分可以還原被測電流信號，電流還原公式：。羅氏線圈輸出信號經過峰值采樣電路，調理出沖擊電流的峰值信號送MCU計算得出沖擊電流的峰值，本系統驗證了1K～150KA、8/20uS的沖擊波形，精度能達到0.5級。由于版面限制實驗數據不在此處公布，需要數據見email:gujinguo@126.com。

圖2　零磁通電流互感器結構及參數

圖3　羅氏線圈原理結構

5.結構方式

如圖4所示零磁通線圈與羅氏線圈放置于同一殼體內，內部通過STM32L152 Cortexm3內核低功耗CPU信號處理，再經RS485信號輸出，輸出端采用威浦戶外用航空插頭，4芯帶屏蔽通訊線引出(VDD,485A,485B,GND)給數據終端。外殼采用一體化不銹鋼材質，表面噴塑處理，內部電路采用環氧樹脂灌封；很好的滿足了電力系統絕緣在線監測的以下條件：(1)采樣范圍寬、靈敏度高，輸出能靈敏反應輸入量的微小變化；輸出信號盡可能大。(2)在測量范圍內線性度好，輸出波形不畸變，輸出信號與被測信號間的比值差、角差小，并且其差值穩定，不隨溫度等因素的變化而變化。(3)抗干擾能力強，電磁兼容性好、防腐蝕特性。

圖4　一體化電流互感器結構

6.結論

本文研制的一體化穿心式互感器成功解決了早期在線監測的諸多弊端。如：設備對避雷器接地回路的影響、不易安裝調試、數據不準確、無遠程監測維護、耐沖擊性壽命短等弊端。對高壓電氣設備漏電流檢測具有重要的理論意義和實用價值。筆者展望：隨著小電流互感器制造工藝的革新，能把該互感器設計成開口方式同時又保證小電流測量的精確性，那該智能互感器將能更好的為國家電網服務。

[1]李芙英等.基于Rogowski線圈和壓頻變換的電流測量方法.

[2]李虹山.金屬氧化鋅避雷器(MOA)的在線監測及故障診斷.

[3]劉彬.基于Rogowski線圈的電子式電流互感器復合誤差計算方法.

[4]黃海波.變電設備在線監測[M].中國電力出版社.

顧金國（1981－），男，江蘇南通人，大學本科，主要從事避雷器在線監測研究。

王露露（1996－），女，江蘇南通人，大專，主要從事電氣自動化研究。