童 歆，全江濤，徐 菁，夏 天，王 亮

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000；3.武漢新電電氣技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)供電負(fù)荷急劇增加，直流輸電具有輸送容量大、損耗小、無(wú)交流輸電穩(wěn)定性問(wèn)題的制約等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-4]。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)單極運(yùn)行或雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，大量直流電流通過(guò)接地極注入大地。交流輸電系統(tǒng)通過(guò)接地變壓器的中性點(diǎn)、輸電線路及架空地線與大地構(gòu)成并聯(lián)回路，會(huì)對(duì)直流入地電流進(jìn)行分流，因此，可能使交流輸電系統(tǒng)流經(jīng)數(shù)十安培的直流電流，嚴(yán)重影響變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-8]。

變壓器中性點(diǎn)直流電流是引起變壓器噪聲增大、振動(dòng)加劇、電壓波形畸變和變壓器局部過(guò)熱的直接原因，監(jiān)測(cè)變壓器中性點(diǎn)直流電流，能夠直接真實(shí)地反映變壓器運(yùn)行狀況，有助于判斷變壓器是否發(fā)生直流偏磁，為變壓器直流偏磁預(yù)警提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[9-12]。傳統(tǒng)測(cè)量變壓器中性點(diǎn)電流采用霍爾傳感器，但是霍爾傳感器溫度特性差，信號(hào)輸出與環(huán)境溫度變化無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，不具備修正手段。閉環(huán)式霍爾傳感器不能在變壓器帶電的情況下進(jìn)行安裝；開(kāi)環(huán)式霍爾傳感器在安裝上存在很大便利，但在小電流測(cè)試時(shí)，輸出信號(hào)零漂很大，電流測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性得不到保證[13-16]。

本文基于電阻取樣法測(cè)量原理，設(shè)計(jì)一種溫度特性良好、測(cè)量精度高和工作穩(wěn)定性好的直流傳感器，測(cè)量變壓器中性點(diǎn)直流電流，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在各個(gè)地方的變壓器直流偏磁電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。

1 直流傳感器設(shè)計(jì)原理

變壓器正常運(yùn)行工作狀態(tài)下，必須保持中性點(diǎn)可靠接地，不便于在中性點(diǎn)安裝穿芯式閉環(huán)霍爾傳感器。為了避免變壓器停電帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，本文根據(jù)變壓器中性點(diǎn)引下線的接地扁鋼尺寸（如表1所示），計(jì)算所需截取的合適長(zhǎng)度，選阻值為1 mΩ的扁鋼作為標(biāo)準(zhǔn)電阻。若現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，則取扁鋼長(zhǎng)度的最大值，以減少測(cè)量誤差。由于只需測(cè)量引下線中的直流電流，不需要考慮接地扁鋼的電感，那么通過(guò)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓，利用歐姆定律，即可測(cè)量變壓器中性點(diǎn)引下線中的直流電流。由于取樣電阻工作環(huán)境溫度變化大，還需要考慮環(huán)境溫度對(duì)取樣電阻的影響，進(jìn)行相應(yīng)的溫度校正，如下式所示。

其中，I為變壓器中性點(diǎn)引下線中的直流電流；R為溫度t時(shí)標(biāo)準(zhǔn)接地扁鋼電阻；R0為溫度t0時(shí)標(biāo)準(zhǔn)接地扁鋼電阻；U為標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓；k為電阻溫度系數(shù)。

表1 1 mΩ接地扁鋼尺寸Table 1 Size of different 1 mΩgrounding steels

為確保直流傳感器測(cè)量的精確度，必須準(zhǔn)確測(cè)量截取的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用如下方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扁鋼的電阻值進(jìn)行標(biāo)定，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定原理圖如圖1所示。

圖1 基于電阻取樣法的直流傳感器測(cè)量原理Fig.1 Measuring principle of DC sensor based on resistance sampling method

第1次測(cè)量不加恒流源，測(cè)量扁鋼端電壓為U1，那么：

其中，I0為流過(guò)待測(cè)電阻初始電流；Rx為待測(cè)電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓。

然后在同等條件下加恒流源Is進(jìn)行第2次測(cè)量，此時(shí)該段扁鋼上通過(guò)電流為I0+Is，測(cè)得扁鋼端電壓為 U2，那么：

由式（1）和式（2）可得：

該電阻標(biāo)定系統(tǒng)能輸出1 A和2 A這2檔直流電流，將標(biāo)準(zhǔn)電阻R（阻值為1.002 mΩ）接入該電阻標(biāo)定系統(tǒng)，在不同測(cè)試電流下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值，測(cè)量結(jié)果如表2所示。不同測(cè)試電流時(shí)，測(cè)量結(jié)果都會(huì)受采樣精度和A/D轉(zhuǎn)換精度的影響，引入一定的測(cè)量誤差，呈現(xiàn)上下浮動(dòng)的趨勢(shì)。試驗(yàn)中可以通過(guò)多次測(cè)量求取平均值的方法減小測(cè)量誤差。由表2可以看出，該電阻標(biāo)定系統(tǒng)在2個(gè)檔位的測(cè)量誤差小于1%，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求，能夠用于現(xiàn)場(chǎng)取樣電阻阻值的標(biāo)定。

表2 電阻標(biāo)定系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of resistance calibration system

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變壓器中性點(diǎn)直流電流測(cè)量系統(tǒng)是基于ARM7嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，采用STM32系列的處理芯片，具有運(yùn)算速度快、功耗低、功能擴(kuò)展便捷等優(yōu)點(diǎn)，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量取樣電阻兩端的電壓，對(duì)其進(jìn)行濾波、放大處理，并利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于微處理器的數(shù)值計(jì)算。同時(shí)，測(cè)量傳感器工作環(huán)境溫度，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高直流電流測(cè)量精度。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring system

變壓器中性點(diǎn)電流不僅包括直流電流，還包含工頻電流信號(hào)。運(yùn)算放大器放大直流電流信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)放大交流信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差較大。因此測(cè)量直流電流時(shí)，需要將交流信號(hào)濾除，提高測(cè)量系統(tǒng)的共模抑制比。本文摒棄傳統(tǒng)的軟件濾波的方式，避免數(shù)字濾波引入的測(cè)量誤差，采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，從硬件上濾除交流信號(hào)，較大程度地抑制模擬通道引入的共模干擾，其基本電路圖如圖3所示。

圖3 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Conversion circuit of dual-integral A/D

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、過(guò)零比較器、計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘脈沖等組成。

轉(zhuǎn)換器的核心部分是積分器，定時(shí)信號(hào)控制它的輸入端所接開(kāi)關(guān)S1。當(dāng)為不同電平時(shí)，極性相反的輸入電壓U1和參考電壓Uref，將分別加到積分器的輸入端，進(jìn)行2次方向相反的積分，積分時(shí)間常數(shù)τ=RC。

過(guò)零比較器的作用是確定積分器的輸出電壓U0過(guò)零的時(shí)刻。當(dāng)U0＞0時(shí)，比較器輸出Uc為低電平；當(dāng)U0≤0時(shí)，Uc為高電平。比較器的輸出信號(hào)接至?xí)r鐘控制門(mén)作為關(guān)門(mén)和開(kāi)門(mén)的信號(hào)。

計(jì)數(shù)器是由n+1個(gè)接成計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器FF0—FFn串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0—FFn-1組成n級(jí)計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖CP計(jì)數(shù)，以把與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)到2n個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，F(xiàn)F0—FFn-1均回到0態(tài)，而FFn翻轉(zhuǎn)到1態(tài)，Qn=1后開(kāi)關(guān)S1從位置①轉(zhuǎn)接到②。

時(shí)鐘脈沖源作為測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，它的標(biāo)準(zhǔn)周期為T(mén)c。門(mén)打開(kāi)時(shí)，時(shí)鐘脈沖通過(guò)門(mén)加到觸發(fā)器FF0的輸入端。信號(hào)調(diào)理電路選用積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，使積分時(shí)間等于工頻周期。若信號(hào)中含有工頻和直流混合信號(hào)，那么，工頻信號(hào)經(jīng)過(guò)1個(gè)周期積分后為0，從而只對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning

3 直流傳感器實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

3.1 溫度對(duì)直流傳感器的影響

直流傳感器長(zhǎng)期在戶外工作，溫度變化范圍廣，研制直流傳感器時(shí)必須考慮環(huán)境溫度對(duì)直流傳感器性能的影響。選取一段標(biāo)準(zhǔn)扁鋼，放入高低溫箱，在-30～80℃范圍內(nèi)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)扁鋼的電阻值，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下的電阻值Table 3 Resistance under different temperatures

由表3可以看出，標(biāo)準(zhǔn)扁鋼電阻對(duì)溫度比較敏感，隨溫度的增加而增大。將不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)扁鋼電阻測(cè)量值繪制成曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，在-30～80℃范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)扁鋼電阻測(cè)量結(jié)果一致性較好，其電阻值與溫度基本呈線性關(guān)系。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其擬合公式如式（6）所示，線性相關(guān)系數(shù)為99.45%。

其中，Rsa為溫度t時(shí)的取樣電阻。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)扁鋼電阻阻值與環(huán)境溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between standard grounding steel resistance and environmental temperature

在實(shí)際測(cè)量電流時(shí)必須考慮溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因此在測(cè)試系統(tǒng)中裝設(shè)有溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流傳感器的工作環(huán)境溫度，并根據(jù)該溫度特性曲線，對(duì)實(shí)際電流測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度線性校正補(bǔ)償。

為比較不同類型直流傳感器工作性能，實(shí)驗(yàn)回路中通過(guò)恒定的5 A直流電流，在30℃時(shí)對(duì)閉環(huán)霍爾傳感器和鉗形霍爾傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。然后將這2種穿芯式霍爾傳感器和所設(shè)計(jì)的傳感器放入高低溫箱，在-40～80℃溫度范圍內(nèi)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)5 A直流電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同直流傳感器溫度特性曲線Fig.6 Temperature characteristic curve for different DC sensors

由圖6可以看出，本文設(shè)計(jì)的直流傳感器根據(jù)環(huán)境溫度校正后，在不同溫度下測(cè)量結(jié)果一致性較好，測(cè)量誤差小于2%。閉環(huán)霍爾傳感器和鉗形霍爾傳感器溫度特性都不理想，溫漂較為嚴(yán)重，測(cè)量最大誤差分別為44.4%和16.2%，并且不便于在線對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正；當(dāng)傳感器工作環(huán)境溫度變化較大時(shí)，嚴(yán)重影響它們的測(cè)量精度。

綜合比較本文設(shè)計(jì)的電阻型直流傳感器和霍爾傳感器可知，雖然霍爾傳感器經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)以后，在校準(zhǔn)溫度附近測(cè)量性能良好，但當(dāng)環(huán)境溫度變化范圍較大時(shí)，其測(cè)量線性度不一致，而且很難在線對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)的直流傳感器電阻值隨環(huán)境溫度變化較大，但其電阻與環(huán)境溫度基本呈線性關(guān)系，容易利用溫度校正曲線對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，適合長(zhǎng)期戶外運(yùn)行。同時(shí)，電阻型直流傳感器安裝簡(jiǎn)單易行，能夠帶電安裝，避免變壓器停電或者更改運(yùn)行方式。

3.2 直流傳感器測(cè)量精度試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)直流傳感器測(cè)量精度，將直流傳感器和標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)接入試驗(yàn)回路，如圖7所示。試驗(yàn)回路中，標(biāo)準(zhǔn)電阻R的電阻值為1.002 mΩ；電壓表為Agilent高精度數(shù)字電壓表；通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓，利用歐姆定律，能夠精確測(cè)量試驗(yàn)回路中的直流電流。

直流恒流源輸出-80～-1 A和1～80 A直流電流時(shí)，直流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可以看出當(dāng)測(cè)試電流大于10 A時(shí)，直流電流測(cè)量誤差小于2%；當(dāng)測(cè)試電流小于10 A時(shí)，直流電流測(cè)量誤差小于0.2 A。直流恒流源輸出標(biāo)準(zhǔn)電流1 A、10 A和50 A時(shí)，直流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表5所示。由表5看出，每次測(cè)試結(jié)果不完全相同，存在一定的波動(dòng)。通過(guò)多次測(cè)量，求取平均值的方法，能夠減小測(cè)量誤差。

圖7 直流傳感器精度測(cè)量試驗(yàn)電路示意圖Fig.7 Schematic diagram of DC sensor precision test circuit

表4 標(biāo)準(zhǔn)電流單次測(cè)量結(jié)果Table 4 Results of single-measuring test for different standard currents

表5 標(biāo)準(zhǔn)電流重復(fù)測(cè)量結(jié)果Table 5 Results of multiple-measuring test for different standard currents

直流電流測(cè)量誤差主要是由取樣電阻的兩端電壓測(cè)量誤差和電阻值測(cè)量誤差組成。該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量取樣電阻電壓時(shí)采用A/D轉(zhuǎn)換，便于后臺(tái)數(shù)值計(jì)算，但在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于A/D轉(zhuǎn)換器本身性能的原因，會(huì)使得電壓測(cè)量引入一定的誤差，從而導(dǎo)致直流電流測(cè)量誤差。

4 本文傳感器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

湖北電網(wǎng)的直流換流站主要分布在宜昌地區(qū)，直流換流站附近220 kV交流變電站和500 kV交流變電站數(shù)量眾多，當(dāng)直流換流站單極運(yùn)行或者雙極不平衡運(yùn)行時(shí)容易使交流變電站中性點(diǎn)產(chǎn)生直流電流?，F(xiàn)將直流在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)量采集裝置安裝于宜昌地區(qū)部分220 kV和500 kV變電站，其中500 kV變電站包括安福寺變電站，220 kV變電站包括猇亭變電站、楊家灣變電站、郭家崗變電站、長(zhǎng)坂坡變電站、遠(yuǎn)安變電站、顧家店變電站、枝江變電站。

某年1月18日至1月19日，湖北某換流站極I正在單極運(yùn)行，附近的220 kV變電站A的1號(hào)主變和220 kV變電站B的2號(hào)主變安裝的直流電流在線監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到變壓器中性點(diǎn)直流電流異常后，準(zhǔn)確測(cè)量了直流電流幅值，并記錄了直流電流波形，如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，變壓器中性點(diǎn)直流電流基本穩(wěn)定，幅值變化較小，偶爾出現(xiàn)的電流脈沖是由于現(xiàn)場(chǎng)存在干擾信號(hào)，可忽略不計(jì)。

圖8 中性點(diǎn)直流電流測(cè)量結(jié)果Fig.8 Results of neutral DC current measuring

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，變電站A和B的2臺(tái)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的入地電流與安裝傳感器時(shí)規(guī)定的正方向一致。由圖8可以看出某換流站的電流負(fù)荷白天大、晚上小，一般在 08∶00—09∶30 和21∶00—22∶30左右發(fā)生顯著變化。某換流站單極運(yùn)行負(fù)荷不同時(shí)，直接影響變電站A和B變壓器中性點(diǎn)直流電流幅值，如表6所示。由表6可見(jiàn)，變電站B距離某換流站比變電站A近，其變壓器中性點(diǎn)直流電流略大，但負(fù)荷波峰和波谷時(shí)的直流電流比值與變電站A一致，均約為1.7，該值只與直流換流站單極運(yùn)行負(fù)荷有關(guān)。

表6 變電站A和變電站B在不同時(shí)刻的變壓器中性點(diǎn)直流電流Table 6 Measured neutral DC currents of transformer at different times for substation A and B

5 結(jié)論

a.基于特征電阻取樣的方法，設(shè)計(jì)了測(cè)量變壓器中性點(diǎn)直流電流的直流傳感器，該直流傳感器便于變壓器不停電安裝，幾乎不受工作環(huán)境溫度的影響，能實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器中性點(diǎn)直流電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在線進(jìn)行校準(zhǔn)。

b.設(shè)計(jì)了雙積分型信號(hào)硬件調(diào)理電路，消除了數(shù)字濾波引入的誤差，提高了所設(shè)計(jì)的直流傳感器的交流諧波信號(hào)的共模抑制比，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

c.設(shè)計(jì)的直流傳感器能夠測(cè)量-80～-1 A和1～80 A直流電流，當(dāng)測(cè)試電流大于10 A時(shí)，測(cè)量誤差小于2%；當(dāng)測(cè)試電流小于10 A時(shí)，測(cè)量誤差小于0.2 A?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果表明，該直流傳感器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，準(zhǔn)確記錄變壓器中性點(diǎn)直流電流的幅值和波形，滿足實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)變壓器中性點(diǎn)直流電流的要求。