技术与应用●Technology&Application 摘要:介绍了一种面向电力领域直流电流测量的新型电量传感器,比较了各种直流电流测量方法的 优劣及可行性。敏感头采用了特殊结构设计及智能调试的直接放大式原理,磁路采用了镍基铁芯, 大大降低了电流过流后的剩磁,为提高直流测量精度,消除交流信号影响,在信号处理方面,采用 无源滤波与数字滤波相结合的方式,提高了滤波能力。 关键词:电量传感器;电力;直流电流测量;镍基铁芯;数字滤波;温度补偿 中图分类号:TM933 收稿日期:201 8-07—09 文献标识码:A 文章编号:1 006—883X(201 8)1 1一∞24—07 面向电力领域直流电流测量的 新型电量传感器 张文江吴如兆朱胜平 -、 ,j :a } 、 0‘ .1j r斗‘ : 一、前言 住线监测电刚内变 器中性点的直流电流是一个 —≠ 传统的电力领域, {二要的电流形式为:【频 新领域。 内缺少变 器叫=I性点直流电流 测设备, 具体实施过程 IlI还嘶对 1._J一交流电流,埘j 电流、电压的检测、控制和对 电能的汁算 而,绝人 分 用的是常规的电流互感 器羽1电 『I.感器。近 求,我国正在越来越广泛地 也没有建 卡H灭的标准 ‘些难点 题: 1、 为是埘电 变 的中性点进行 线监测, 川高压 流(HVDC)输电系统,具备更犬的传送 、这就导致系统 川】 电流测量的传感器,要能长期、 稳定、可靠地运i亍 户外 环境下: 更小的损耗、迎远的传送距离,而且避免J,交 流输fu的小稳定性。flI是, 【j该系统处丁 双极电流不 埘称运行或扦 .极_人地『『J】线运行这两种情况下,布接 2、冈为电刚系统L}1存 大量的强电场、强磁场, 这就导致传感器和后续信号处理单元要有很强的抗电 磁干扰能力。 本文针对电 、变电站等户外电力高 场所, 这种强电场、强磁场的I:作环境下,如伺稳定、可靠 地进行直流电流传感测量"腥了研究,通过理沦分析、 仿真计算、试验等多种于段,确定了直流电流传感器 的最终技术方案,阻断 种干扰的传输路径,确保 地极会.if 人的 流电流注入大地,而从大地回流的 流义会通过变 器 { 性点按地线进 步侵入交流系 统,许产 种危害,儿j 足对变压器造成明显的直 流偏磁影响… 此lf、f的变H 器噪声、振动加人,电压 波形变筮,久最谐波, ,Ij, 种无功损耗如铜耗、铁 牦等增加。严重时,变 器的内外相关部件(如拉板、 压纠、轴 扳、地脚螺 等)会松动,包括线圈也 了传感器T作的稳定性、可靠性。 会磨损。I I积1fj累,将人人降低变压器的绝缘、抗短 路冲, 能力。通过任线躲测变 器中性点的直流电流 人小及方It,j.可以仃效 测变压器的直流偏磁程度及 jJ{e人地f 】}J{e, 电『x 内的分 i状况 】。 二、电流传感器测量方案的理论分析 因为该方案t ilf i慢测 的是直流电流,所以在讨 论电流测蕈方 ¨ ‘·一J‘以排除电力系统中常用的交流 l 口 _ 感器以及 氏线 。目前主要的直流电流测量方案有: 分流器原理、 流互感器原理、磁调制原理、光纤电 流传感器原 、磁平衡式电流传感器原 和直接放火 式电流传感 原理。 分流器的优点在 结构简单、测最准确、可靠性高, 是一种无 器f,f 且不受外磁场干扰,似因为电附自 身热功率的影响,一般 用来测景lOkA以上的电流。 而分流器的劣协在于心用时要对一次叫路进行开断, 导致安装使川 ‘l斫的不便,而 .仔 人电流通过时的 插入损耗,带来j,比较严重的自热问题。特别是针对 本文时论的情况,冈为分流器的一次flJ!lj和二次侧没有 电隔离,所以 1;适合仵电 系统内使川该测量方案。 A流 感器 为其结构简 ,运川¨丁靠, 期 洲量系统中 常会被采用0 。但m 1 儿感器体积较大, 隔离等级不商,}1;加上频带宽度较窄,测最精度较低, 对丁快速变化的信号响应速发慢,已经f}!少件现今的 直流测量场合使用。 磁渊制洲毓原理的优点是性能稳定,与分流器相 比插入狮耗小,许能承受较人的负载: 其劣势是内 啬【;电路和磁路 杂,信号噪声较大,小鞋程时的准确 度低,不适合洲量小电流。芍虑剑 变 器中性点测 晕场合,我fi、r‘般需要测量的是一80A~+80A的直流 小IU流,冈此不适合采用该方案。 光纤电流传感器(OCT) 要分为两大类:辐射 内渊制 OCT(即Active OCT)干【】电光 磁光型传感 器(即PassiveOCT)。 光纤t 流传感器具有电气绝缘性能商,耐腐蚀性 好,频响快等优点,但现阶段也仍然仃n 成本高、光 路制造复杂卡¨输出信号幅值较小等缺点,从而j, 其推广‘应川141。 今该类电流传感器仍很少任实际T 作场合巾得剑应用.而己应用产品的稳定性也仍需K 兑H观察。考虑剑我们的目标并不是单纯的实验室研究 性质,i 是需要研发一款可以投入变电站实际应用的 测量装置。因此,采取光纤电流传感器的电流测量方 案是不合适的。 磁平衡式电流传感器准确度较商,温漂小,频带 范围宽,响应时 快 。但足它的成本较尚,体积较大, 特别是它的抗过载能力较筹,任大电流 作状态下, Technology&Application●技术与应用 线 卡¨功率管发热较大容埸损坏, 此不适合KjJf j电 的过电流环境下使刖。还ff很重要的一点,磁平 衡式【乜流传感器输出的是电流 号,[j身电流消耗较 人, 野外工作环境卜,电流传感器要求功耗一定要小。 此,本文 的测晕装置也不n采取磁平衡式原理。 接放大式电流传感器 原边电流导体、磁路(包 括锻尔器件)以及电了电路纰成,它们被密封安装 ll『l5}I燃自熄的塑料 注成形的外壳之巾。磁路中什仃 气隙,蓓尔器件安放其 这f【1】传感器与磁甲衡代电 流传感器相比,减少了一纰次边线圈, 此体积小、 成本低、功耗小,而H耐Hi等级高,性能稳定,fllf 为缺少次边线圈来进行 环反馈控制,其精度受到温 度变化的一定影响,H.动态响心特性不如磁平衔式电 流他感器。 接放大式L乜流传感器的1:作原理是当原边导体 } 流过电流时,所产 的磁场 作为磁路的铁芯聚集. 进斯使放置在铁芯气隙中的线性霍尔器件感应山‘个 尔电势,并通过次级电路t 的信号处理电路放大 输…电压信号 。 j 体来说,当被测电流 流过原边回路的导线时, 根槲安培环路定律,一个强的磁场日 将分布 导线周 ,传感器中的磁路部分会埘咳磁场产生聚集作f1J, 铁芯气隙中的霍尔器件感应剑磁场,基于霍尔效心会 输… 尔电势 。信号处理电路上的运放会对雀尔电 进仃多级电压放人,最终输 电压信号 ,该信 比J 原边被测电流值, oc 。( o(,,,。 - 目 技术与应用-Technology&Application l、电流传感器功能 (1)传感器磁回路设置2个开口气隙, 各自放置一个霍尔器件。两个霍尔器件通过 的模拟电路,输入到传感器中CPU的 ADC模块中。这样就实现了两通道差分数据, 当测量正向电流时,通道1信号为正,通道2 信号为负,否则反之; (2)通过两个差分模拟通道,抵消大部 分模拟电路的温度漂移及电流母排安装位置 引起的影响; 综上所述,这种传感器原理电路简单、成本低、 过载能力强,在变电站的过电流环境下不易损坏、可 靠性较高,特别是功耗低,适合野外环境使用。因此, 最后确定采用直接放大式电流传感器。 (3)硬件低频滤波,滤波能力20dB: (4)软件低频滤波,滤波能力40dB。ADC采集 频率lkHz,原始数据滑动滤波,再加滤波常数为0.98 的一阶数字滤波; (5)最大测量直流电流峰值:l50A。 三、电流传感器总体设计 电流传感器总体方案如图2所示。系统包括传感 器壳体、聚磁铁芯、磁场采集单元、霍尔激励单元、 低频滤波单元、放大调零单元和CPU等。 2、电流传感器设计要点: (1)低功耗设计,总功耗<250mW; (2)通讯接口和协议; (3)温度补偿设计: 口 - Technology&Application-技术与应用 (4)滤波特性设计,>30dB@50Hz. (5)信号完整性设计,防止交流信弓‘过大时阻塞 信号处理通道。 四、具体硬件设计 磁材料磁廿章和起始磁化曲线 0 3 0 6 0 9 l 2 l 5 }{fOe1 6软磁材料镍基铁芯磁导率和起始磁化曲线 电流传感器总体电路设计包括霍尔激励电路、磁 场采集电路、无源滤波电路、差分放大及零点调整电路、 CPU控制电路、电源电路等组成,如图3所示。 1、磁场信号采集单元分析 该单元由在两段铁芯组成的双气隙磁 路中的霍 尔器件构成,如图4所示。根据现场维护需要砹讣成 可分离式结构,利用自然形成安装接缝处构成磁场测 量面,为具宵抵消温度漂移、降低远场磁场干扰等作 『}j的差分测量模式。 霍尔器件遵循霍尔效应原理,其公式为: 1B (1) 其中, 一霍尔系数,它与半导体材料的厚度和电子 浓度等有关。 町以看出,霍尔电势差正比于电流强度和磁场强 度。在电流恒定时,霍尔电势差与磁场强度成正比。 磁场改变方向时,霍尔电势差也改变符号。 此,霍 尔器件可以作为测量磁场的大小和方向的传感器。 具体到本传感器中,当电流通过变压器【{|性线时, 中性线剧围将产生一磁场,这一磁场的大小与流过 中性线的电流成正比,它可以通过磁 吕聚集感应到霍 尔器件 并使其有霍尔信号输出。后续电路再对该信 弓‘进行滤波、数字化。 2、铁芯磁路分析 铁芯磁路如图5所示。 (1)工作点计算 计一算方法1:根据磁路安培环路定律,忽略环路 漏磁,得: 2JH£+2qbR=l (2) 所以: : ,一 (3) 2£ £ 其中, 一单个铁芯中线长度(m),L=O.109m: 铁芯内磁场强度(A/m); 气磁阻(1/H),R=I.47×10 /H: I 201 8.1 ’囝 技术与应用●Technology&Application ,一测量电流(A); 磁通量(Wb): 而积(n ,S--13ramx12.5mm=1.625xl0一m。: 磁感应强度(T)。 把长度、面积、空气磁导率等数据代入公式,得磁负载方程: H=4.591-21.9×1O B (4) 查阅相关软磁材料镍基铁芯 曲线如图6所示。 曲线横 标: ,1.5Oe 120A/M 曲线纵坐标: ,l5000Gs=1.5T 如设计要求,最大为80A+交流40A的峰一峰值,最大瞬时 电流140A,得图6下方所示的负载直线,可见,磁路工作点非常 低,线性度最佳的区域,实际在铁芯中的B=0.03T@140A。 计算方法2:因气隙磁阻远大于铁芯磁阻,可以认为被测电 流产牛的磁势降往空气中。 BxSxR×2=, (5) 其中,S--I.625x10。m ,R=I.47x10 H,同样可以得到B=0.0293T。 (2)最大电流冲击造成的剩磁计算 由冈6[]j 知,最大B=0.757T,根据公式(5),得最大可测 电流3616A,小于在应用场景中最大的10000A冲击影响,应按 照最大剩磁 ,来计算。 剩磁辨£:墨 ,其中, :109mm,B,-0.343T,“:56048Gs/ “ Oe=0.07H/m,凶磁势绝大部分降在气隙中,则气隙中的残余剩磁 为 :—三一:2.24×10— T。 S×R 由此得:采用镍基合金的软磁铁芯的传感器,可能引起的最 大零点误差 超过2.24×l0~/0.0293=0.76%。 3、霍尔激励单元分析 运放反馈恒流输出,设计电流2mA~5mA。根据霍尔的温度 特性,设置温度补偿二极管。两个通道单独设置激励电路。见图3。 图3中,由Nl7B、R 。、R3 组成恒流电路。设 =2.5V. 管压降 ,,则有霍尔电流,为: ,: :二 堕 (6) R31+R32 R3o 由于电源电压较低,为保证电平摆动范围,选择运放型号为 轨 轨输出的LMH6643。根据该运放的技术规格书,其输入偏置 电流 的典型值一般为一1.70gA,而选择R3,、R,:时要考虑降低 运放输入偏置电流 的影响,设计流过R3 的电流应大于lOO1 ̄。 设计选型如下: 四 _ 31 2.7kQ,R 3 2=1.2kQ,R (1=1 80Q,Vll: MMBD7000, 0.55V@0.5mA,25℃: 霍尔内阻范围:450Q~9o0Q,从而得到: /=3.33mA; 霍尔B (B )脚3电压:0.6V: 霍尔B (B )脚1电压:0.6+0.91=3.6V: 霍尔输出共模电压=2.1V; 符合LMH6643输出“40mYfrom rails”和输入“lV from V+”范围。 4、温度漂移特性分析 依据_极管MMBD7000的技术规格书,V .的压 降一温度特性曲线如图7所示。 依据霍尔器件的技术规格书,B 的输}}J ,一温度 特性参数为:一0.06%/ ̄C: 一温度特性参数:+100ppm/。C, 额定输出 2500mV; 电阻温度特性参数:±100pprn/ ̄C。 设计选型如下: 、 ,为同类特性电阻,其温度特性可以在除 法运算时抵消: R,。为精密电阻,温漂系数25ppm,其温度影响在 全温度范围内小于0.2%,可以不予考虑。 根据式(6)和式(1),有霍尔输出 : x f ㈤ 其中, ,一霍尔系数,它与半导体材料的厚度和电子 浓度等有关。 从以上公式卡l1器器件的温发特性参数【, 矢¨,二极 管压降为一2mV/ ̄C,综合 的+I【)(】ppm/℃温度参数, 则引起的温度变化率为10。×2500+2=2.25mV/℃,电 流变化率= =+0.11%/℃。 根据霍尔温度特性,两青综合温度系数为: 1.0011 x0.9994 1=0.055%/。C,得最大工作温度一l0 ̄C~ 70。C 内最大温发漂移±2.2%,即最大测蕈误筹为 ±1.76A@满量程时。 以卜分析结论:如需继续提高温度稳定性,心采 用CPU进行温度补偿计算或提高 ,电压。而对丁零 点温瞍特性,因两个通道的电路完全 样, 住后续 汁算l{1相 抵消。 5、信号调理电路的分析 }也路山尢源滤波电路、差分放大及零点调帑电路 等组成。女【 l3所 。 (1)放夫、调零单元 通过仪表放火器实现放大功能,并由CPU编程辅 助渊 零点,增益微调通过CPU计算实现。h 确定 放大倍数: 额定测量卜,霍尔输L}|曲线见 8。由 B=0.03T@140A( 交流40A的峰值),L=3.3mA。 可得: (max)=80mV/3x3.3mA/5mA=l7.6mV。 其中,交流分量7.6mV,直流分量l0mV。 假设交流分链住后续的RC滤波中得以大I旧度消 除,篾分放l犬后的输}JJ幅度在1.25V±1。15V,则放大 倍数没定为:1.15/0.0l=l】5倍。 Technology&Application●技术与应用 根 等分放大器AD8821参数,放大倍数=l+49.4/R,得, R=0.4kQ。 如最人直流量 为l20A,同 可得放大倍数=1 15"80/120=76 倍,R=0.65kQ。 (2)低频滤波单兀 RC一阶无源滤波,设 ’滤波能力:30dB@50Hz, 面确定 滤波常数: 由 ! 、 、 、 :、 组成了无源低频滤波,设计要求 l尢源滤波特征频率可从芯片说明书得到。 设汁要求滤波特性设汁,>30dB@50Hz,设 23= 2 =R=22kf ̄, =Ce=2.2pF,G =G = =O.22gF,则荸分频率为: 1 刚 帆 =1.5Hz@-3dB ’ 由‘阶滤波理论町得:50Hz卜滤波能力为20 Iog(50/1.5)+3 =33dB,一叮以满足以』二放大倍数计算的“假设交流分量在后续的 RC滤波tI 得以大幅度消除”的要求。 6、CPU单厄介绍 CPU选型:采斤j ADUC812BS,自带2.5V基准、温度传感器、 12化ADC、l2化DAC、SP1、I2C接L J、支持 线编程等功能。 CPU担 以 计算任务: (1)测量通道1、2的模拟量,转换为双粘度浮点数; (2)两通道相减后进行数字滤波汁算: (3)根据调试 元的命令,设鼠不同模式。对两个通道lj丁单 独修改零点和增益; (4)保留温度补偿措施。 数 滤波采_[}j算术平均滤波法,滤波长度32次,采集频率 lkHZ。 一阶滤波法:取a=0.96,本次滤波结果=(1一a) 本次采样值 + 次滤波结果。 运}1]MATLAB等汁算j二具lJ 知,一3dB处的时间常数为 992ms,H『J lHz。折算剑50Hz处滤波能力=37dB。 综合七源滤波部分,则传感器对50Hz交流的抑制比为 70dB,完伞可以满足实际使用。 五、前景及可行性 随着高压直流输电系统的不断投运,直流输电系统的设备故 障、常规的预防性检修,换流站建发初期的单极投运、调试等F】 益频繁,使得直流输电系统单极火地回线方式或双极不平衡 J℃ _ 口 技术与应用I Technology&Application 的运行儿率大大提高,变压器直流偏磁现象频繁发生,并 且地磁暴也会导致变压器出现直流偏磁现象。变压器长时 间处于直流偏磁状态对变压器本身及电力系统将造成严重 的危害。 为解决电力部门面临的变压器直流偏磁现象,开展变 压器中性点直流电流在线监测在电力系统的实际生产中具 有很好的前景及可行性: (1)通过监测流过变压器中性点直流电流的大小,结 合变压器容量、铁芯结构及饱和曲线可判断变压器直流偏 磁程度,通过采取相应措施,避免设备事故发生; (2)通过监测一定范围内的变压器中性点直流电流, 能够基本掌握直流电流在交流电网内的分布规律,为更有 效地实施抑制措施打下基础; (3)长期直流监测数据的统计分析结果对指导开展变 压器等设备检修具有晕要的参考价值。 六、结论 本文针对电网、变电站等户外电力高压场所强电场、 强磁场的工作环境下,如何采用稳定、可靠的直流电流在 线测量技术进行了研究,分析了各种直流电流测量方法的 优劣及可行性,采用了特殊结构设计及智能调试的直接放 大式原理,在方便拆卸、维护的同时,加强了对传感器内 部核心元件的保护。 为降低一次侧流过大电流后的剩磁影响,该传感器在 传感头设计上摒弃了传统上使用的硅基铁芯,采用了镍基 铁芯,实际证明,镍基铁芯大大降低了电流过流后的剩磁 情况。 为提高直流测量精度,消除交流信号影响,在测量方面, 传感器内部实现了闭环控制,提高了测量的精度,在信号 处理方 ,采用无源滤波与数字滤波相结合的方式,提高 了滤波能力,并设计了温度补偿电路,可有效减小由于温 度变化造成的测量误筹。 参考文献 [1]韩燕明,黄曾述.地电流对电力变压器影响研究[J].电网与清洁 能源,2010,(01):31.37. 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New type electricity sensor for dc current measurement in the electrical area ZHANG Wen-jiang.wu Ru·zhao.ZHU Sheng—ping (Ningbo CRRC Times Transducer Technology Co.,LTD.,Ningbo 315021,China) Abstract:A new type electricity sensor for DC current measurement in the electrical area is introduced in this paper.The merits and feasibility of various kinds of DC current measurement method are compared.The sensitive head adopts direct ampliifed principle with special structure design and intelligent debug.The magnetic circuit adopts nickel—based iron core,which reduces the residual magnetism greatly after current overload.In order to improve the DC measuring precision and eliminate the influence of AC signals,the signal processing adopts combination of passive filtering and digital filtering and the ability of ifltering is improved. Key words:electricity Sensor;electric Power;DC current measurement;nickel—based iron core;digital filtering;temperature compensation 作者简介 张文江,宁波中车时代传感技术有限公司,工程帅,丰要从 事电量传感器技术研究。 通讯地址:浙江省宁波市江北区振甬路138号宁波 乍时代 传感技术有限公司 邮编:3l5021 邮箱:heavenfly252@l63.com 吴如兆,宁波中车时代传感技术有限公司,工程师,E要从 事电量传感器电路研究。 朱胜平,宁波中车时代传感技术有限公司,工程师,主要从 事电量传感器结构研究。