基于磁傳感陣列模型的10kV開關柜流溫復合參量監測系統的研究與應用

國網河南省電力公司鶴壁供電公司 秦福祥 李俊周 程夏威 宋曉磊

隨著智能電網工程的推進，采用物聯網技術對配網中各設備及各環境的監測已經得到了廣泛的應用，物聯網現有系統平臺顯示各傳感器單一數據，告警信息為單一設備狀態，所以當出現告警信息時班組人員會第一時間到現場，但檢查現場設備時往往無故障點、缺陷，長時間多次的到現場，給工作帶來不必要的負擔。

一線人員發現，通過物聯網單一監測雖然減輕了巡視工作、改變了巡檢模式，但因系統“虛告警”（虛假告警和短暫告警）也帶來一些麻煩，所以提出怎樣減少因“虛告警”（虛假告警和短暫告警）帶來巡檢次數的問題。開關柜是在電力系統進行發電、輸電、配電和電能轉換的過程中進行開合、控制和保護用電設備，由于開關柜長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行[1]、斷路器與開關柜之間一般都采用插頭連接，若發生長期過載、接頭松動、觸頭老化等，容易導致接觸電阻增大，可能發生觸頭升溫過高甚至燒毀等嚴重事故。因此對開關柜電流和溫度進行時鐘條件下高精度的測量，對整個電力系統的正常運行有著至關重要的作用。

1 國內研究現狀及項目原理

開關柜作為電網中的一環具有很重要的作用，需對其進行定期運維，但運維存在誤操作等事故，因此需對其進行一些輔助監測來提高運維的安全性，開關柜常規的監測方法有監測電壓、電流、溫度等，而電流和溫度的監測對其有很重要的作用。常規監測電流的方法是通過開關柜上的電流表進行讀取。對于溫度一般采用的是紅外測溫儀，其帶有數據接口，可把實時溫度數據傳到后臺顯示和報警，也可在當地指示。優點：測量精度較高；缺點：價格偏貴，需要拉電源線、近距離可視安裝和停電安裝。

傳統大電流測量方式主要使用電磁式電流互感器測量電力系統電流，其體積大、高頻趨膚效應顯著、頻率響應不高，無法適應信息化的要求[2]，Rogowski線圈具有精度高、測量范圍大、重量輕等優點[3]，但由于成本較高、不能測量直流分量[4]，霍爾傳感器不能滿足測量范圍與精度的要求[5]。

隨著電子信息技術的發展，磁傳感器在測量領域的應用越來越廣泛，已成為電子測量領域和高水平控制系統的關鍵器件之一。磁傳感器測量大致經歷了3個階段：最初為單傳感器測量，但不能區分被測電流自身產生的磁場和干擾磁場，精度不能滿足現在大型設備的需求；后來采用環形傳感器陣列，將磁傳感器環繞著母排周圍，可極大地提高測量精度，但只適用于測量直流情形，不能滿足交流情形；現在利用磁傳感器陣列拓撲結構進行測量，通過對傳感器的輸出信息進行合理分析處理，在排除干擾的同時建立磁場與電流的關系。

通過技術比較，以上方法都只能在站端進行監測溫度、電流，不能起到實時監測的效果、不能對故障進行數據分析，因此決定采用基于磁傳感陣列模型的開關柜流溫復合參量監測系統，能夠實現對配電網中的導體電流和溫度進行非接觸式測量，避免對輸電線路造成影響以及安全隱患，且能有效去除測量過程中存在的干擾，確保測量精度，進而使得測量參數精確指導電網的運行。同時采用集成電路技術，將該裝置與無線溫度傳感器進行集成應用，實現電纜電流和溫度的雙參量監測，在邊緣端提升了開關柜和環網柜的監測能力，有效提升了電網的安全運行水平。

為滿足變電站開關柜電流測量高精度、低成本、易安裝、安全絕緣等特點，結合物聯網技術研制一款低功耗、結構簡單、抗干擾、分辨率高的TMR電流溫度二合一無線智能裝置?；赥MR傳感技術采集電流，同時實時采集接觸點溫度，將測量數據通過無線發送到計算平臺，計算平臺基于傳感器的陳列模型計算出相應導線的電流值和溫度值。無線智能裝置由電池、電源管理單元、TMR電流傳感器、溫度傳感器、采集單元、微控制器和無線單元等構成。

2 關鍵技術及解決難題與現場應用情況

2.1 搭建磁傳感器陣列模型，解決電纜三項互不干擾問題

針對專有的變電站10千伏開關柜進行環境搭建，與常規的單芯電纜或環網柜電纜情況不同，除要考慮電纜三項干擾外還應該考慮母排干擾，解決電纜三項（A、B、C）互干擾問題。

2.1.1 TMR電流傳感器[7]

電流傳感器是在電氣絕緣的狀態下，利用電流所產生的磁場來檢測電流值的一種介于高、低電壓之間的界面器件，其原理為：當原邊導體中存在電流時，在導體的周圍就會產生一個環繞導體的、與電流成比例的磁場。用磁傳感器檢測該磁場強度后，生成與電流成線性關系的電信號輸出——這就是最基本的開環式電流傳感器，也被稱為直測式電流傳感器。當被測磁場信號較弱或為了抑制干擾磁場時，可采用軟磁材料來聚集被測磁場，并將磁傳感器探入到軟磁材料內部以增強信號強度。

通過技術比較，結合TMR電流傳感器的特性，采用推挽式惠斯通全橋結構，包含四個非屏蔽高靈敏度TMR元件，利用R1、R2和R3、R4的磁敏感方向相反這一特性。當磁場變化時R1、R2電阻變大而R3、R4電阻變小，這樣當外加磁場沿垂直于芯片表面方向變化時，惠斯通全橋提供較大的差分電壓輸出。由于開關柜每相母排在整個柜內都產生磁場分布，對應傳感器測得的磁場實際上是每相電流產生磁場在該點的矢量和。因此，為得到每相電流對應產生的磁場，需針對三相母排建立合理的電流測量磁傳感器陣列拓撲，并從中解耦出每相電流對應產生的磁場強度，由此計算出該相電流的大小。

2.1.2 磁傳感陣列模型

開關柜的三相母排可看成是平行的銅排，銅排與銅排間及銅排與磁傳感器間的位置關系可表示為圖1所示情況。以A相母排的截面左邊緣端點作為三維坐標系統（x，y，z）的原點，假設每相母排的寬度為c、厚度為d，相鄰兩相母排間的距離為L?？拷肯嗄概虐惭b磁傳感器，并假設每相對應的磁傳感器到該相母排的距離為b，到該相母排左側邊緣的距離為a，因此a、b兩個參數決定了磁傳感器陣列拓撲的結構。母排間的間距L、各相母排的實際寬度d以及厚度可根據實際應用的開關柜測量得出。

圖1 平行磁傳感器陣列拓撲

應用磁傳感器測量電流的基本前提是磁場的線性和疊加性，包括空間上和頻率上的線性疊加性?？臻g上的線性疊加性是指電流在空間內指定一點產生的磁場強度與電流的強度成線性關系，而且對于多相電流，該點的磁場強度是各相電流所產生的磁場強度在該點的矢量疊加。頻率線性是指對于空間內的指定點，特定頻率電流在該點的磁感應系數為某一特定值。對于已知頻率和相位的電流，在特定點處產生的感生磁場與其同頻同相，即該特定點處的磁場為給定電流各頻率分量在該點感生磁場的疊加。

在頻率較低及電網諧波干擾較小的情況下，可只考慮電流信號的基波分量，并且忽略磁場的延遲效應以及渦流產生的集膚效應，傳感器電壓和三相電流關系如式（1），式中C(式2)為磁傳感器電流測量的感應系數矩陣，其具體數值通過大量的實驗來獲得。采用逐相單獨通電流采集三相磁傳感器的輸出，計算出對應的感應系數。例如先對A相母排進行單獨通電，B、C兩相斷開，根據三相磁傳感器的電壓輸出信號可計算出c11、c12、c13的值。由同樣的實驗方法分別計算出另外兩組向量的值，最后得到系數矩陣C的值。

2.2 搭建TMR電流傳感器數學仿真模型，對結果進行誤差分析

TMR電流傳感器陳列模型與應用場景有關，在單相電流檢測中磁場分布相對簡單，在多相電流檢測中磁場相對復雜，計算平臺針對不同的應用場景采用不同的傳感器數學模型，將提取的傳感器的信息經過數據融合分析，計算出對應的電流值。在常見的開關柜電流測量中開關柜內部電磁環境相對復雜，涉及多相電流采集，為研究交直流電流產生的磁場在整個開關柜內的分布情況，利用ANSYS對開關柜內磁場分布情況進行模擬仿真，根據磁場分布提出相關的交直流測量數學模型，計算平臺通過采集的電流數據分析處理計算出電流值，進而驗證TMR電流傳感器數學模型。

根據TMR輸出電壓值進行電流計算，得到高壓開關柜三相母排電流值。將得到的電流值與實際電流值進行線性擬合，擬合結果說明測量得到的電流值與實際電流值十分接近。經過計算，A，B，C三相側的電流與實際電流的絕對誤差值分別為1.96A，4.93A，2.34A。最大幅值誤差為4.93A/1200A×100%=0.42%＜1%，符合測量要求。

2.3 開關柜流溫復合監測系統

由于電力系統中存在大量不確定的潛伏性故障，特別是在比較復雜的配電網絡，由于其運行線路復雜，線路故障情況多樣，給檢修人員進行故障定位造成了困難。從目前單一監測量往往很難診斷故障做出正確定位，甚至會出現“虛警”現象，帶來不必要的麻煩。因此需通過總結物聯網中無線傳感網絡的特點及整合無線傳感器網絡中多種傳感器的多種不同參量的基礎上，綜合分析各監測內容，經多參量比對法結合電力經驗法實現電力設備運行狀態監測“虛告警”的正確判斷。基于此信息，采用集成設計工藝實現電纜電流和溫度兩個傳感器的集成設計。打破傳統的電纜通過磁取電和磁測電流或溫度的單一設計模式，實現了電纜電流和溫度的復合參量集成應用，從而解決了單一監測量引起的“虛告警”巡視次數，為工作人員減負，減少了人力物力。

2.4 現場應用情況

該裝置已在鶴壁海河站10千伏開關柜得到應用，通過后臺實時數據監測，免去了人工巡檢所帶來的人力物力的消耗以及人工巡檢進入帶電區域的不安全性，提升了開關柜巡視（讀取電流、測量溫度）的工作效率，節省了人力、財力。保障了開關柜的安全穩定運行，大幅度減少開關柜因負荷分配不均導致電流過大引起火災事故，避免造成大面積停電事件，影響人民的生產和生活。實現智能化監測符合國網的自動化監測要求，為實現開關柜的全壽命周期以及精益化管理提供了數據支持。保障了開關柜的安全穩定運行，實現智能化監測，符合國網的自動化監測要求。大幅度減少開關柜因負荷分配不均導致電流過大引起火災的事故，避免造成大面積停電事件，影響人民的生產和生活。

3 結語

通過磁傳感陣列模型的開關柜流溫復合參量監測系統的研究與應用，能夠實現對配電網中的導體電流和溫度進行非接觸式測量，避免對輸電線路造成影響以及安全隱患，而且能夠有效去除測量過程中存在的干擾，確保測量精度，進而使得測量參數精確指導電網的運行。同時，采用集成電路技術，將該裝置與無線溫度傳感器進行集成應用，實現電纜電流和溫度的雙參量監測，在邊緣端提升了開關柜和環網柜的監測能力，有效提升了電網的安全運行水平。