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丁家峰 中南工業(yè)大學(xué)
【摘要】介紹了LEM 電流傳感器在進行變電站高電壓側(cè)各絕緣性能在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對傳感器的特性，標準電壓信號的選取，誤差的來源及其分析，測量電路的電路構(gòu)成，在線測量系統(tǒng)存在的問題進行了討論。
關(guān)鍵詞：電流傳感器; 在線監(jiān)測; 介電常數(shù); 高電壓
1 引言
在線監(jiān)測電容型設(shè)備的絕緣介電特性，對保證設(shè)備安全可靠運行，防止事故的發(fā)生會起到很好的作用。
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。這種信號抽取方式將測量電路與主電路隔開，其沒有電的直接聯(lián)系，可使二次測量設(shè)備及橄型計算機免受主電路中危險過電壓造成的破壞. 
介電特性在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。通過對電壓、電流信號的相位和幅值進行比較，由計算機系統(tǒng)得到有關(guān)電容值和介損值的信息。在這個過程中，電流信號的采樣是一個非常關(guān)健的環(huán)節(jié)。為了準確反映被測設(shè)備的真實狀態(tài)，在線監(jiān)視系統(tǒng)對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)的要求，靈敏度高，同時二次輸出信號電壓盡可能高。
(2)在測量范圍內(nèi)線性度好，輸出波形不畸變，被測電流與輸出信號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)點在于把普通傳感器與霍爾器件、電子電路有機地結(jié)合起來，這樣既發(fā)揮了普通傳感器的測量范圍大的優(yōu)勢，又利用了電子電路反應(yīng)速度快的長處。圖2是LEM電流傳感器的原理圖。
LEM模塊的工作原理是磁場平衡式的，即主電流回路所產(chǎn)生的磁場，通過一個次級線圈的電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。其具體工作過程為:當主回路有一大電流IP流過時，會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一個強磁場，這一磁場被聚磁環(huán)聚集，并作用于霍爾器件，使其有一個信號輸出，這一信號經(jīng)放大器A放大，輸入到功率放大器中，這時，相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通壓降改變，從而獲得一個補償電流Is，由于Is流過多匝繞組，使多匝導(dǎo)線產(chǎn)生一磁場Hs，而Hs與主電流Ip所產(chǎn)生的磁場Hp相反，因而補償了原來的磁場，從而使霍爾器件輸出的信號逐漸減小，最后當Is與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場與Ip所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時霍爾器件就可起到零磁通檢測作用。
上述平衡過程是在非常短的時間內(nèi)完成的，所需時間在1ns之內(nèi)。這是一個動態(tài)平衡過程，即主電路電流Ip的任何變化都會破壞這一平衡磁場，而一旦磁場失去平衡，霍爾器件就會有信號輸出，在經(jīng)放大器放大后，立即就會有相應(yīng)的電流流過次級線圈進行補償。因此，從宏觀上看，次級補償電流的安匝數(shù)在任何時間都與主電流的安匝數(shù)一樣，即
式中:N，為原級匝數(shù);N.為次級匝數(shù);I，為原級電流;I。為次級電流。
在實際應(yīng)用LEM模塊時，通過測量電阻RM上的電壓VM可間接求出Is,從而得到電流Ip。實際上，在原級匝數(shù)Np、次級匝數(shù)Ns一定的情況下，次級電流的最大值Immax即決定了原級電流(被測電流)的最大值Ipmax. Ipmax可由下式表達:
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為次級線圈電阻(或稱副邊電阻、內(nèi)部電阻); RM為外接測量電阻。
3 實驗
在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理如圖3所示，對比的參考信號來自電壓互感器。電流采用單匝穿心式。介電特性測試儀可分時處理256路來自電流傳感器的取樣信號和3路來自PT的信號。整機由ATMEL公司的微處理器芯片AT89C51控制，由于電子式多路開關(guān)會對取樣信號帶來較嚴重的噪聲和一些不確定的因素，信號切入均采用機械式干黃管繼電器。電路中有兩個通道，通道1通過參考信號，通道2則分時通過參考信號與電流傳感器的取樣信號，通過微處理器對數(shù)據(jù)處理后，就能夠消除電路對相角和幅值所產(chǎn)生的誤差。信號經(jīng)鑒相后輸入MCU進行脈寬測量，再經(jīng)MCU數(shù)據(jù)處理后獲得介質(zhì)損耗變化、信號頻率的信息。信號經(jīng)AC一DC變換，A/D變換后輸入MCU進行信號幅值的測量，以獲得電容量、電壓，泄漏電流的信息。這些信息通過液晶顯示器顯示，同時由微型打印機打印出來，也可以通過Modem和一個RS232接口輸入到上位機進行集中控制和采樣。
由于在線監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器安在室外，現(xiàn)場的環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果有一定的影響，所以在線檢測系統(tǒng)有必要進行溫度校正。本系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝了溫度傳感器DS1820。這種器件是一種由單片機集成電路構(gòu)成的單信號數(shù)字化溫度傳感器，它可將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，溫度值不需要經(jīng)電橋電路獲取電壓模擬,再經(jīng)信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，從而避免了傳統(tǒng)傳感器存在的參數(shù)不一致，以及在更換器件時因放大器零漂問題而需對電路重新調(diào)整所帶來的困擾。DS1820的測溫范圍為一55℃十125℃，分辨率為士0.5℃，輸出為9位的二進制讀數(shù)，串行輸入到MCU后, 由MCU根據(jù)溫度的變化對測量數(shù)據(jù)進行校正。
4 實驗結(jié)果
在上網(wǎng)之前，該儀器在實驗室進行了模擬試驗，試驗接線如圖4所示，其中被試的為標準介損器。表1為模擬測試數(shù)據(jù)，從表中可以看出，能準確測量觸電容量和介損角。
目前,該儀器已在某變電站進行了掛網(wǎng)運行、表2中列出了其中5臺設(shè)備在運行半年中所測得的數(shù)據(jù)。在此期間，設(shè)備在試驗前和半年后均采用停電檢測的方法,并用瑞士電橋檢測過，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的電流傳感器，但在使用時，要獲得最佳的動態(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電流傳感器給測量帶來的誤差，可由統(tǒng)計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)場應(yīng)用時,需要進行溫度校正。實際使用證明:本介電特性在線監(jiān)測方法作為常規(guī)停電預(yù)測的代替措施是可行的。
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