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丁家峰 中南工業(yè)大學(xué)
【摘要】介紹了LEM 電流傳感器在進(jìn)行變電站高電壓側(cè)各絕緣性能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)傳感器的特性，標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的選取，誤差的來(lái)源及其分析，測(cè)量電路的電路構(gòu)成，在線測(cè)量系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞：電流傳感器; 在線監(jiān)測(cè); 介電常數(shù); 高電壓
1 引言
在線監(jiān)測(cè)電容型設(shè)備的絕緣介電特性，對(duì)保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行，防止事故的發(fā)生會(huì)起到很好的作用。
為了不影響設(shè)備原有的接線方式，在介電特性監(jiān)測(cè)中，一般要采用環(huán)型鐵芯結(jié)構(gòu)的電流傳感器套在設(shè)備接地線上，抽取設(shè)備絕緣的泄漏電流信號(hào)。這種信號(hào)抽取方式將測(cè)量電路與主電路隔開(kāi)，其沒(méi)有電的直接聯(lián)系，可使二次測(cè)量設(shè)備及橄型計(jì)算機(jī)免受主電路中危險(xiǎn)過(guò)電壓造成的破壞. 
介電特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。通過(guò)對(duì)電壓、電流信號(hào)的相位和幅值進(jìn)行比較，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到有關(guān)電容值和介損值的信息。在這個(gè)過(guò)程中，電流信號(hào)的采樣是一個(gè)非常關(guān)健的環(huán)節(jié)。為了準(zhǔn)確反映被測(cè)設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)，在線監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)這種電流傳感器提出的要求是:
(1)能夠適用于洲f小電流(mA級(jí))的要求，靈敏度高，同時(shí)二次輸出信號(hào)電壓盡可能高。
(2)在測(cè)量范圍內(nèi)線性度好，輸出波形不畸變，被測(cè)電流與輸出信號(hào)電壓之間固有相位差變化小。
(3)工作穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)小而且穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。
為此，本系統(tǒng)中選擇了LEM電流傳感器。
2 LEM電流傳感器的工作原理
LEM電流傳感器是一種模塊化的有源電子傳感器。它的突出優(yōu)點(diǎn)在于把普通傳感器與霍爾器件、電子電路有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，這樣既發(fā)揮了普通傳感器的測(cè)量范圍大的優(yōu)勢(shì)，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長(zhǎng)處。圖2是LEM電流傳感器的原理圖。
LEM模塊的工作原理是磁場(chǎng)平衡式的，即主電流回路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過(guò)程為:當(dāng)主回路有一大電流IP流過(guò)時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集，并作用于霍爾器件，使其有一個(gè)信號(hào)輸出，這一信號(hào)經(jīng)放大器A放大，輸入到功率放大器中，這時(shí)，相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通壓降改變，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is，由于Is流過(guò)多匝繞組，使多匝導(dǎo)線產(chǎn)生一磁場(chǎng)Hs，而Hs與主電流Ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hp相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，從而使霍爾器件輸出的信號(hào)逐漸減小，最后當(dāng)Is與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與Ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，這時(shí)霍爾器件就可起到零磁通檢測(cè)作用。
上述平衡過(guò)程是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成的，所需時(shí)間在1ns之內(nèi)。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，即主電路電流Ip的任何變化都會(huì)破壞這一平衡磁場(chǎng)，而一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就會(huì)有信號(hào)輸出，在經(jīng)放大器放大后，立即就會(huì)有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此，從宏觀上看，次級(jí)補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與主電流的安匝數(shù)一樣，即
式中:N，為原級(jí)匝數(shù);N.為次級(jí)匝數(shù);I，為原級(jí)電流;I。為次級(jí)電流。
在實(shí)際應(yīng)用LEM模塊時(shí)，通過(guò)測(cè)量電阻RM上的電壓VM可間接求出Is,從而得到電流Ip。實(shí)際上，在原級(jí)匝數(shù)Np、次級(jí)匝數(shù)Ns一定的情況下，次級(jí)電流的最大值Immax即決定了原級(jí)電流(被測(cè)電流)的最大值Ipmax. Ipmax可由下式表達(dá):
式中:Vs為外接電源電壓;Vces為模塊內(nèi)功率管的飽和壓降，VCES應(yīng)小于3V，一般VCES=0.5V;Rt為次級(jí)線圈電阻(或稱副邊電阻、內(nèi)部電阻); RM為外接測(cè)量電阻。
3 實(shí)驗(yàn)
在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理如圖3所示，對(duì)比的參考信號(hào)來(lái)自電壓互感器。電流采用單匝穿心式。介電特性測(cè)試儀可分時(shí)處理256路來(lái)自電流傳感器的取樣信號(hào)和3路來(lái)自PT的信號(hào)。整機(jī)由ATMEL公司的微處理器芯片AT89C51控制，由于電子式多路開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)取樣信號(hào)帶來(lái)較嚴(yán)重的噪聲和一些不確定的因素，信號(hào)切入均采用機(jī)械式干黃管繼電器。電路中有兩個(gè)通道，通道1通過(guò)參考信號(hào)，通道2則分時(shí)通過(guò)參考信號(hào)與電流傳感器的取樣信號(hào)，通過(guò)微處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理后，就能夠消除電路對(duì)相角和幅值所產(chǎn)生的誤差。信號(hào)經(jīng)鑒相后輸入MCU進(jìn)行脈寬測(cè)量，再經(jīng)MCU數(shù)據(jù)處理后獲得介質(zhì)損耗變化、信號(hào)頻率的信息。信號(hào)經(jīng)AC一DC變換，A/D變換后輸入MCU進(jìn)行信號(hào)幅值的測(cè)量，以獲得電容量、電壓，泄漏電流的信息。這些信息通過(guò)液晶顯示器顯示，同時(shí)由微型打印機(jī)打印出來(lái)，也可以通過(guò)Modem和一個(gè)RS232接口輸入到上位機(jī)進(jìn)行集中控制和采樣。
由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器安在室外，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，所以在線檢測(cè)系統(tǒng)有必要進(jìn)行溫度校正。本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝了溫度傳感器DS1820。這種器件是一種由單片機(jī)集成電路構(gòu)成的單信號(hào)數(shù)字化溫度傳感器，它可將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，溫度值不需要經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬,再經(jīng)信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，從而避免了傳統(tǒng)傳感器存在的參數(shù)不一致，以及在更換器件時(shí)因放大器零漂問(wèn)題而需對(duì)電路重新調(diào)整所帶來(lái)的困擾。DS1820的測(cè)溫范圍為一55℃十125℃，分辨率為士0.5℃，輸出為9位的二進(jìn)制讀數(shù)，串行輸入到MCU后, 由MCU根據(jù)溫度的變化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在上網(wǎng)之前，該儀器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)接線如圖4所示，其中被試的為標(biāo)準(zhǔn)介損器。表1為模擬測(cè)試數(shù)據(jù)，從表中可以看出，能準(zhǔn)確測(cè)量觸電容量和介損角。
目前,該儀器已在某變電站進(jìn)行了掛網(wǎng)運(yùn)行、表2中列出了其中5臺(tái)設(shè)備在運(yùn)行半年中所測(cè)得的數(shù)據(jù)。在此期間，設(shè)備在試驗(yàn)前和半年后均采用停電檢測(cè)的方法,并用瑞士電橋檢測(cè)過(guò)，其數(shù)據(jù)也列于表2中。從表中數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)有較好的穩(wěn)定性。
5 結(jié)論
LEM電流傳感器模塊是一種適合作電力工頻信號(hào)的電流傳感器，但在使用時(shí)，要獲得最佳的動(dòng)態(tài)特性和靈敏度，必須注意副邊有合適的安匝數(shù)，原、付邊線圈達(dá)到最佳的耦合以及大小合適的采樣電阻。用LEM電流傳感器給測(cè)量帶來(lái)的誤差，可由統(tǒng)計(jì)分析的方法予以校正。
另外,LEM電流傳感器有一定大小的溫度系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),需要進(jìn)行溫度校正。實(shí)際使用證明:本介電特性在線監(jiān)測(cè)方法作為常規(guī)停電預(yù)測(cè)的代替措施是可行的。
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