王 瑋 賈明娜 張新慧 呂 攀

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1，山東 淄博 255049；山東科匯電氣自動(dòng)化股份有限公司2，山東 淄博 255087；國網(wǎng)山東桓臺(tái)縣供電公司3，山東 淄博 256400)

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一種電子式電流互感器的高壓側(cè)設(shè)計(jì)

王 瑋1賈明娜2張新慧1呂 攀3

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1，山東 淄博 255049；山東科匯電氣自動(dòng)化股份有限公司2，山東 淄博 255087；國網(wǎng)山東桓臺(tái)縣供電公司3，山東 淄博 256400)

針對(duì)母線供電方式的電子式電流互感器存在的問題，提出了一種高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)方法。該方法根據(jù)母線電流大小自動(dòng)調(diào)節(jié)線圈初次級(jí)繞組的匝數(shù)比，使得在母線電流較大時(shí)能夠保證電源的穩(wěn)定性和較低的電路熱耗，同時(shí)在母線電流較小時(shí)保證系統(tǒng)具有較小的供電死區(qū)。詳細(xì)分析了設(shè)計(jì)原理，具體介紹了軟硬件的設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。

電子式電流互感器 母線供電 供電死區(qū) 熱耗 線圈匝數(shù)

0 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展，電子式電流互感器則由于具有絕緣可靠、測量范圍大、頻帶響應(yīng)寬、體積小等優(yōu)點(diǎn)而成為其理想替代產(chǎn)品。

在電子式電流互感器高壓側(cè)的供電方式中，使用CT從母線取能的方式已成為目前主要的實(shí)用方式，該方式存在如下不足：①母線電流較小時(shí)存在供電死區(qū)；②線路電流變化范圍較大導(dǎo)致電源的穩(wěn)定性較差；③母線電流較大時(shí)，電路的熱耗使高壓側(cè)電路溫度升高，對(duì)電子器件的工作效率、壽命及系統(tǒng)的測量精度都將產(chǎn)生影響[1]。

使用降低高壓側(cè)電路功耗、選用高磁導(dǎo)率鐵心材料等方法能夠降低系統(tǒng)的供電死區(qū)[2-4]；對(duì)電源電路進(jìn)行過壓保護(hù)及穩(wěn)壓設(shè)計(jì)可以提高電源的穩(wěn)定性[5]，但同時(shí)也帶來電路成本及復(fù)雜度的增加；使用可控硅分流等方案可以降低電路的熱耗[6]，但當(dāng)電流很大時(shí)該方法效果不佳。

本文提出了一種高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)母線電流大小自動(dòng)調(diào)整線圈初次級(jí)繞組匝數(shù)比，有效解決了電源穩(wěn)定性較差和電路熱耗過高的問題，同時(shí)又保證了較小的供電死區(qū)。

1 電路構(gòu)成

本文所設(shè)計(jì)的電子式電流互感器的高壓側(cè)電路由鐵心線圈、電源電路、信號(hào)處理電路及線圈變比控制電路組成。鐵心線圈用于從母線取電；電源電路用于為電路的其他部分供電；信號(hào)處理電路從電源電路的二次電流中取出信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行比較、放大、濾波、采樣等處理，最后送入發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路，將數(shù)字化的光信號(hào)通過光纖送至低壓側(cè)電路；線圈變比控制電路通過改變線圈次級(jí)繞組的匝數(shù)改變線圈初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)比。

電路功能框圖如圖1所示。

圖1 電路功能框圖

2 電路分析

圖2為高壓側(cè)電路的原理框圖。鐵芯線圈利用電磁感應(yīng)原理，從母線得到二次電流，二次電流經(jīng)固態(tài)繼電器(SSR)流至電源電路。電源電路由整流濾波、電流/電壓轉(zhuǎn)換、電流泄放及DC/DC變換電路構(gòu)成；信號(hào)處理電路由信號(hào)提取、信號(hào)比較、程控放大、信號(hào)濾波及發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；線圈變比控制電路由繼電器驅(qū)動(dòng)及固態(tài)繼電器構(gòu)成。CPU作為電路的控制中心，其作用包括：(1)通過監(jiān)測信號(hào)比較電路的輸出，判定當(dāng)前母線電流所處的等級(jí)；(2)根據(jù)判定的電流等級(jí)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，使程控放大器(PGA)按照相應(yīng)的增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；(3)根據(jù)信號(hào)比較電路的輸出確定要輸出的控制信號(hào)，使各繼電器按照設(shè)定的邏輯閉合和斷開，由此改變線圈次級(jí)繞組的匝數(shù)，從而改變線圈初次級(jí)繞組的匝數(shù)比；(4)控制ADC對(duì)濾波后的信號(hào)采樣，采樣后的信號(hào)經(jīng)CPU編碼后送入發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 高壓側(cè)電路原理框圖

2.1 電源電路

如圖3所示，二次電流經(jīng)過繼電器流至電源電路。首先進(jìn)入由肖特基二極管構(gòu)成的全波整流電路，將交流電流信號(hào)變換為直流電流信號(hào)，再通過電容C1為整流后的信號(hào)濾波，電容容量越大，濾波效果越好，系統(tǒng)的能量損耗也越小。電阻R2、穩(wěn)壓管D2及三極管Q1用以將電流轉(zhuǎn)換為電壓并形成電流泄放回路。當(dāng)母線電流大小超過供電啟動(dòng)電流時(shí)，對(duì)應(yīng)的二次電流進(jìn)入使經(jīng)穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓的電流范圍，即可獲得穩(wěn)定的電壓輸出。R2起限流作用，Q1作為調(diào)整管使用，其集電極和發(fā)射極的導(dǎo)通電阻會(huì)隨其流經(jīng)電流的大小而變化，從而形成多余電流的泄放回路，Q1發(fā)射級(jí)的電壓最終穩(wěn)定在7 V。HT7150作為DC/DC模塊，用于輸出電路需要的電壓。Q1構(gòu)成的電流泄放電路是電源電路的關(guān)鍵，實(shí)際過程中，二次電流會(huì)隨母線電流的增大而增大，電路的泄放電流也相應(yīng)增大，導(dǎo)致Q1發(fā)熱比較嚴(yán)重，這是造成電路熱耗過大的主要原因，而本文設(shè)計(jì)的在母線電流較大時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)線圈初次級(jí)繞組的匝數(shù)比，從而將二次側(cè)電流控制在一個(gè)較小的數(shù)值和變化范圍內(nèi)的方法，則很好地解決了這個(gè)問題。

圖3 電源電路原理圖

2.2 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路原理如圖4所示，首先使用1∶100的小CT從二次電流中提取電流信號(hào)，再通過并聯(lián)電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，使用小CT從二次電流提取信號(hào)比使用專用的取信號(hào)線圈成本更低、系統(tǒng)體積更?。恍盘?hào)經(jīng)電容隔直后送入電壓比較器，由于本設(shè)計(jì)將電流分三個(gè)等級(jí)，因此該信號(hào)要同時(shí)與兩個(gè)電壓比較器的參考電壓相比較，參考電壓Vref1和Vref2的大小設(shè)定為母線電流三個(gè)等級(jí)臨界電流最大值對(duì)應(yīng)的電壓值。比較器的輸出直接被CPU的引腳P1.1和P1.2所監(jiān)測，CPU根據(jù)監(jiān)測值確定輸出給程控放大器的控制信號(hào)值，控制信號(hào)由引腳P1.5和P1.6發(fā)出。該電路中對(duì)電流等級(jí)的判定使用了CPU根據(jù)比較器的輸出值判定的方法，該方法具有比用CPU采樣后再判定更快的速度。為了提高信號(hào)的濾波效果及采樣分辨率，進(jìn)而保證系統(tǒng)的精度，信號(hào)在進(jìn)行比較的同時(shí)進(jìn)行程控增益放大，放大倍數(shù)與線圈繞組匝數(shù)比相對(duì)應(yīng)，程控放大器使用PGA205，這里使用其1、2、4倍增益，電流大小與信號(hào)增益倍數(shù)的選擇關(guān)系如表1所示。放大后的信號(hào)送入濾波器，以濾除信號(hào)中的噪聲及線圈繞組匝數(shù)比變化時(shí)產(chǎn)生的毛刺信號(hào)，這里使用截止頻率為13次諧波的二階有源濾波器。此后，信號(hào)還要經(jīng)采樣、CPU編碼后送入發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路，將代表母線電流大小的數(shù)值以數(shù)字光脈沖的形式通過光纖送至低壓側(cè)電路，P2.6為CPU的采樣引腳。

圖4 信號(hào)處理電路原理圖

表1 電流與信號(hào)增益倍數(shù)選擇關(guān)系

2.3 線圈變比控制電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示。將鐵芯線圈的次級(jí)繞組設(shè)計(jì)為3個(gè)引出端，CPU根據(jù)信號(hào)比較電路的輸出判定當(dāng)前電流應(yīng)處的等級(jí)后，通過控制相應(yīng)的固態(tài)繼電器接通來改變次級(jí)繞組的匝數(shù)，從而達(dá)到改變初次級(jí)繞組匝數(shù)比的目的。本設(shè)計(jì)將母線電流分為3個(gè)等級(jí)，分別用CPU的P2.0、P2.1和P2.2引腳作為控制信號(hào)接通次級(jí)的a、b和c端。

圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 關(guān)鍵問題處理

3.1 電流等級(jí)劃分

將本設(shè)計(jì)應(yīng)用于額定電流為400 A的10 kV母線。如表2所示，當(dāng)母線電流較小時(shí)，使用較小的次級(jí)繞組匝數(shù)可保證較小的供電死區(qū)；隨著母線電流增大，逐漸增大次級(jí)繞組匝數(shù)。由此可見，當(dāng)母線電流在1～120%的額定電流范圍內(nèi)變化時(shí)，通過線圈次級(jí)繞組匝數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可使二次側(cè)電流始終在150 mA以內(nèi)；當(dāng)母線電流為額定的400 A時(shí)，二次側(cè)電流僅為100 mA；若母線線路出現(xiàn)短路故障，雖然此時(shí)電流最多可達(dá)到額定電流的20倍，相應(yīng)的二次側(cè)電流也很大，但由于故障電流的持續(xù)時(shí)間非常短，其熱耗不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響。

表2 母線電流與二次側(cè)電流關(guān)系

由于對(duì)線圈設(shè)定了1∶1 000、1∶2 000及1∶4 000三種初次級(jí)繞組匝數(shù)比，且系統(tǒng)已對(duì)1∶2 000和1∶4 000初次級(jí)繞組匝數(shù)比的信號(hào)分別進(jìn)行了2倍和4倍的放大，因此對(duì)互感器標(biāo)定時(shí)以1∶1 000為基準(zhǔn)。

3.2 CPU的工作邏輯

CPU作為系統(tǒng)的控制核心，其工作邏輯也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。CPU工作邏輯如圖6所示。

圖6 CPU工作邏輯圖

CPU首先通過監(jiān)測電壓比較器的輸出對(duì)母線電流當(dāng)前應(yīng)屬于的等級(jí)進(jìn)行判斷，判定后，不管其當(dāng)前等級(jí)是否與其應(yīng)該使用的初次級(jí)繞組匝數(shù)比相一致，CPU都要先對(duì)電流采樣、計(jì)算及編碼，盡管這樣會(huì)使母線電流與繞組匝數(shù)比的關(guān)系出現(xiàn)與表2不一致的情況，但是可以保證CPU對(duì)當(dāng)前電流值計(jì)算的正確性。同時(shí)，該時(shí)刻到次級(jí)繞組匝數(shù)改變的間隔時(shí)間極短，對(duì)電源電路造成的熱耗也可以忽略。以上操作完成后，若需要改變次級(jí)繞組匝數(shù)，CPU再發(fā)出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)次級(jí)繞組匝數(shù)的改變，同時(shí)控制PGA實(shí)現(xiàn)增益倍數(shù)的相應(yīng)改變，繼電器與PGA的動(dòng)作時(shí)間要一致。實(shí)際中，由于繼電器動(dòng)作要慢于PGA，因此對(duì)控制信號(hào)的發(fā)出使用“先繼電器，后PGA”的順序，兩次控制信號(hào)的發(fā)出使用一個(gè)微小的時(shí)間間隔，以使兩者的動(dòng)作時(shí)間同步，延時(shí)時(shí)間根據(jù)PGA芯片和繼電器類型測量得到。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的CPU使用超低功耗單片機(jī)MSP430F149，其功耗僅為0.6 mW，且集成了12位的ADC；線圈鐵芯使用相對(duì)磁導(dǎo)率μ=7×104的鐵基納米晶材料，電路其他芯片均選用低功耗芯片。用等安匝法模擬0～1 000 A的母線電流對(duì)電路進(jìn)行測試，系統(tǒng)的初始化繞組匝數(shù)比設(shè)定為1∶1 000，當(dāng)母線電流升至6 A時(shí)電路即可穩(wěn)定工作，隨著母線電流增大，繞組匝數(shù)比變?yōu)?∶2 000。當(dāng)電流達(dá)到額定的400 A時(shí)，繞組匝數(shù)比變?yōu)?∶4 000，此時(shí)二次側(cè)電流為100 mA，電源電路的熱耗明顯降低，即使電流達(dá)到1 000 A，在短暫的時(shí)間內(nèi)，電路的熱耗對(duì)系統(tǒng)也沒有影響，說明了本設(shè)計(jì)的有效性。

5 結(jié)束語

本文提出的電子式電流互感器的高壓側(cè)電路的設(shè)計(jì)方法，通過監(jiān)測母線電流的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)線圈初次級(jí)繞組的匝數(shù)比，使次級(jí)繞組匝數(shù)隨著電流的增大而增大，保證系統(tǒng)在小電流時(shí)具有較小的供電死區(qū)，在大電流時(shí)又具有較小的熱耗，同時(shí)也可保證電源的穩(wěn)定性。對(duì)電路的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過實(shí)際測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于10 kV測量、保護(hù)用電子式電流互感器的設(shè)計(jì)。

Design of the High Voltage Side for Electronic Current Transformer

Aiming at the problems existing in electronic current transformer which is powered by bus bar,the design method for the circuit of its high voltage side is proposed.With this method,the turns ratio of primary and secondary windings is automatically adjusted in accordance with the current of bus bar,this can ensure the stability of power supply and lower heat loss of the circuit when the current of bus bar is larger,in addition,it may make smaller dead zone of power supply when bus bar current is smaller.The design principle is analyzed in detail,the design of software and hardware is introduced,and the effectiveness of the design method is verified through experiments.

Electronic current transformer Power supply by bus bar Power supply dead zone Heat consumption Coil turns

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863項(xiàng)目)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2012AA050213)。

王瑋(1983-)，男，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事電氣測量技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。

TH86;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601020

修改稿收到日期：2015-05-08。