电子式互感器在线监测系统设计

赵文瑞

摘要：电子式互感器主要用于智能变电站中，其内部不是铁心，因此设计可以消除磁饱和和铁磁谐振现象，还可以使频率响应范围更宽，提高测量精度。摘要：电子式互感器的状态监测可以在线监测电子式互感器的内部状态，保证各参数在安全范围内的运行，尽快消除运行设备的重大故障隐患，促进电子式互感器的工程应用，已成为一个新的研究热点。摘要：阐述了电子式互感器在线监测系统的原理和设计方案，并对系统的各个部分进行了详细的论述。

关键词：电子式互感器；在线监测；数据采集；虚拟仪器

互感器对于电力系统的安全可靠运行有着非常重大的影响，运行过程中的各类信息均需要有互感器的参与。随着我国工业水平的不断发展，工业生产所需的电压等级以及电量也在不断增加，电力系统中所安装的传统电磁式互感器已经越发的不能够满足当前电力系统发展的需要。当前电力系统互感器使用过程中所出现的问题主要有：（1）互感器的线性程度不高，而且动态范围较小，严重影响其使用性能。在实际使用过程中，较易出现磁饱和情况，严重时会出现铁磁谐振的现象，这都非常影响计量效果。（2）电力系统中所安装的传统电压互感器的二次回路不能够出现短路现象，电流互感器不能够出现开路现象，一旦这两种现象出现在正常运行的电力系统中时，就会对人员以及设备安全造成巨大的威胁。（3）模拟量非常容易受到外界环境中电磁的干扰，这就极大的限制了模拟量的传输距离，只能够限制在一定范围内的模拟数据传输。此外，与数字电子设备的数据共享也非常麻烦，二者的连接接口之间存在着较明显的转换问题。

最近几年针对于传统互感器所存在的问题，国内有大量学者进行了非常多的研究。这对于电子式互感器的发展提供了强有力的理论研究支持。随着智能电网、大区域大电网构想的提出，越来越多的高科技电子设备应用在了电力系统中，可用于高效、安全、远距离传输电网的电子式互感器已经成为电网发展的必须品。

该电子式互感器具有以下优点：（1）消除了磁饱和现象和铁磁谐振现象。由于传统的电磁式互感器由信号端与变压器二次线圈之间的铁芯连接，因此在设计中不可避免地会发生磁饱和和铁磁谐振。因此，电子变压器在结构中直接删除铁芯，从磁饱和的来源和铁磁谐振现象的可能性。（2）大大提高了电力系统的故障响应速度。近年来微机保护的最明显的发展是使用暂态信号作为保护判断参数。这种变压器线性度的变化和动态性能要求很高，传统的变压器已经不能满足这种发展的需要。然而，研究最广泛的电子式互感器可以满足这一标准。（3）优良的绝缘性能。传统的变压器在绝缘结构设计中比较复杂，电压等级越高，变压器的绝缘性能越高，生产设计成本越高。但电子式互感器在绝缘结构设计中，与传统的变压器相比，更简单。高压侧与低压侧之间的信号传输通道采用绝缘材料制成的光纤，大大提高了电子式互感器的绝缘能力。（4）动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽。传统的变压器由于自身的结构的磁饱和，在很大程度上限制了其动态范围，一个互感器需要满足测量的要求，而满足系统继电保护的需要几乎是不可能的。然而，电子式互感器的频率范围主要取决于其电子电路设计，电子式互感器的频率响应范围更宽。

本文所使用电子式互感器通过SF6气体绝缘。由于在互感器内充入了SF6气体，因此一旦设备运行，气体的温度与压力将会受到影响，导致气体的rε值、密度的变化，与互感器同轴的电容C也将产生波动，直接影响对二次电压的测量。因此系统需要对设备压强以及温度进行实时监测。

1系统总体结构设计

电子式互感器将SF6气体温度、压强信号以及采样点路收集到的信号传输至AD转换器，通过单片机进行运算，后将结果传输至上位机。系统整体结构如图1所示。

2系统总体设计分析

本文所设计电子式互感器在线监测系统采用分层分布式多CPU结构，运用模块化设计和以太网通信技术实现分布互感器数据的采样、处理与传输。该系统可以分为三个层次：采集层、处理层、监控管理层；系统整体结构设计是基于分布分层原理的，这样可以使得整个系统结构层次分明、分布合理，能够更好的安装、使用、维护。此外，模块化设计也使得整个系统在今后的升级过程中能够表现优越。

2.1电流互感器的选择。气体的介质损耗很小，一般为10-4个数量级，必须使用精密测量仪器。对于在高压环境中使用的传感器，必须具有较强的绝缘特性，旅级战斗队-2型零磁通通过小电流传感器是一种为高压环境设计的小电流传感器。传感器的核心是斜率合金，可以提高传感器的磁导率，减少损耗。为了使磁芯在零磁通状态下工作，必须对铁心进行补偿。在这里，采用了深负反馈技术和相应的屏蔽措施，保证铁可以得到充分补偿。本文的传感器工作在12v或15伏的电压源，工频电流范围为100μa-700ma，输出电压在0～10（交流峰值）范围，比值控制为0.01%，角度差≤0.01。旅级战斗队-2具有优良的温度特性和电磁场干扰能力，完全满足电磁干扰下系统要求的采样精度。因此，选用旅级战斗队-2型零磁通药芯电流传感器作为电流互感器。

2.2温度传感器的选择。温度传感器主要用于实时检测电子式互感器中的油温，并直接在上位机中显示。用户可以从温度的角度判断故障。ds18b20数字温度传感器采用一线接口，即通过单个连接实现多点通信的能力。这简化了分布式温度传感器的结构，在实际使用过程中，不需要添加任何外部组件，只有通过数据总线，才能达到提供电源的目的。数字温度计ds18b20提供9到12位。

2.3压力传感器的选择。实验结果表明，当温度为25℃时，压力对电容的影响控制在2.5327×10-4pf范围内。然而，正常工作环境气体介质的压力介于0.35MPa和0.5MPa之间，温度在-25℃～+50℃之间，因此SMC18压力变送器可以满足设计要求。该装置是一种干式陶瓷压阻式压力变送器，具有精度高、稳定性好，具有抗过载冲击和强干扰的优点。其性能指标：电源电压5v，工作温度范围-40℃～125℃，测量范围0～0.5，安全过载1mp，爆破压力2MPa，输出电压0.5～4.5v，综合测量精度±0.25%。当设备内部压力为0.3MPa时，输出电压为2.9027v；当内压为0.45MPa时，输出电压为4.1260。压力的变化也将导致输出电压的变化，压力变化1pa，输出电压变化8.0±10伏。

2.4电源模块设计。稳定的供电模块是系统稳定性的前提和必要条件。应特别注意电源模块。lm317是一个三端可调稳压器。在单相交流滤波后，可通过lm317获得1.25v～30v的可调电压，最大工作电流为1.5a

2.5显示模块设计。检测数据的显示由LCD1602液晶显示器完成。液晶屏通过P0界面与单片机连接。在电路的连接中，应注意到，单片机的P0需要1k电阻，以实现其输入和输出功能。如上图所示，电路与8位和LCD1602的尺寸隔离，并通过软件实现液晶显示器的显示文本。

参考文献

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