一种基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器的制作方法

1.本发明属于电网直流偏磁电流测试的研究领域，具体涉及一种基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器。


背景技术：

2.直流输电在故障时多采用单极大地返回的运行方式。在这种情况下大量直流电流将会间接地通过大地入侵交流电网，造成变压器绕组通过数安到数十安不等的直流偏磁电流，会令变压器的铁芯处于饱和的工作状态。为了对变压器直流偏磁风险进行预警，需要在变压器中性点安装直流电流传感器。
3.电力系统正常运行时，变压器中性点会流过一定量的交流电流和谐波电流。在直流电流入侵交流电网情况下，变压器中性点不仅会通过直流电流，交流电流和谐波电流会影响直流电流的测量结果。
4.目前变压器中性点直流电流测试主要采用开口霍尔型电流传感器。开口霍尔型电流传感器分圆形结构和方形结构。圆形结构的内直径在8cm以内，而方形结构的长边不超过10cm。开口霍尔型电流传感器开口尺寸过小，因此在使用时受到了较大的限制。开环霍尔传感器不仅不便于安装，而且在安装的过程中作业人员还有一定的触电风险。如果要进一步扩大霍尔传感器的开口尺寸，其测量精度会大幅下降，不能满足工程应用要求。因此需要研制大尺寸的变压器中性点直流电流传感器。


技术实现要素：

5.针对现有技术方法存在的不足，本发明提出了一种基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器。
6.本发明采用的技术方案是：基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器，包括磁芯和绕组组件、信号处理电路组件、输出组件；所述磁芯和绕组组件包括环形磁芯ⅰ和环形磁芯ⅱ；原边绕组ⅰ和副边绕组ⅰ缠绕在环形磁芯ⅰ上，原边绕组ⅱ缠绕在环形磁芯ⅱ上；信号处理电路组件由开环自激振荡电感性型磁通门电路、交流磁通补偿电路和直流零磁通驱动电路组成；开环自激振荡电感性型磁通门电路的输出除了连接原边绕组ⅰ外，还作为交流磁通补偿电路的单位增益反相器的输入；交流磁通补偿电路用于抵消环形磁芯ⅰ中的交流磁通；交流磁通补偿电路的输出信号作为直流零磁通驱动电路输入；所述开环自激振荡电感性型磁通门电路由原边绕组ⅰ的电感、比较器、激磁电流采样电阻ⅰ、门限电压调零电阻ⅰ和门限电压调零电阻ⅱ组成，原边绕组ⅰ的电感的一端、比较器的负输入端、激磁电流采样电阻ⅰ的一端共接，激磁电流采样电阻ⅰ的另一端接地，比较器的正输入端与门限电压调零电阻ⅰ的一端和门限电压调零电阻ⅱ的一端共接，门限电压调零电阻ⅰ的另一端接地，门限电压调零电阻ⅱ的另一端与原边绕组ⅰ的电感的另一端、比较器的输出端共接；
所述交流磁通补偿电路由单位增益反相器、原边绕组ⅱ、激磁电流采样电阻ⅱ以及高通滤波器组成，单位增益反相器的输入端连接比较器的输出端，单位增益反相器的输出端连接原边绕组ⅱ的一端，原边绕组ⅱ的另一端与激磁电流采样电阻ⅱ的一端、高通滤波器的输入端共接，激磁电流采样电阻ⅱ的另一端接地；所述直流零磁通驱动电路由加法器、低通滤波器、比例积分器、功率放大器，以及副边绕组ⅰ的电感组成，加法器的一个通道输入与原边绕组ⅰ的电感的一端、激磁电流采样电阻ⅰ的一端共接；加法器的另一个通道输入连接高通滤波器的输出端，加法器的输出端依次串联低通滤波器、比例积分器、功率放大器、副边绕组ⅰ的电感，直流零磁通驱动电路流过副边补偿电流用于抵消原边被测直流电流分量产生的直流磁场，从而实现直流零磁通；输出组件由数字电压表和输出采样电阻构成，输出采样电阻一端连接副边绕组ⅰ的输出端，输出采样电阻另一端接地，数字电压表连接测量电阻两端；由数字电压表测量的电压计算变压器中性点直流电流i
dc
的方式如下：式中，为测量的直流电流最大误差，u为数字电压表测量的电压，k1为比例积分器的比例常数，k2为放大器的放大倍数，r
s1
为激磁电流采样电阻ⅰ，r
s2
为激磁电流采样电阻ⅱ，r1为门限电压调零电阻ⅰ，r2为门限电压调零电阻ⅱ，is为副边补偿电流，rm为测量电阻，n1为原边绕组ⅰ的匝数，n2为原边绕组ⅱ的匝数，n3为副边绕组ⅰ的匝数。
7.进一步优选，环形磁芯ⅰ和环形磁芯ⅱ为活动式开环-闭环结构。
8.进一步优选，环形磁芯ⅰ缠绕原边绕组ⅰ和副边绕组ⅰ，环形磁芯ⅱ缠绕原边绕组ⅱ和副边绕组ⅱ，环形磁芯ⅰ和环形磁芯ⅱ分别嵌设在环形软性塑料两侧，环形磁芯ⅰ、环形磁芯ⅱ、环形软性塑料在无绕组部位切断一段形成连接接头，连接接头与环形开口主体部分卡合时为闭环结构，连接接头取下时为开环结构。
9.进一步优选，环形磁芯ⅰ和环形磁芯ⅱ嵌设在环形软性塑料两侧后外套环形环氧外套，环形环氧外套也在连接接头对应部分切割开口，并设置连接接头部位的环氧外套。
10.进一步优选，连接接头切割成卡槽结构，卡槽结构与切割后的环形开口主体部分卡接。
11.进一步优选，输出组件由数字电压表和输出采样电阻构成，输出采样电阻一端连接副边绕组ⅰ的输出端，输出采样电阻另一端接地，数字电压表连接测量电阻两端。所述原边绕组ⅰ的匝数n1=1000，原边绕组ⅱ的匝数n2=1000，副边绕组ⅰ的匝数n3=500。
12.本发明构建了磁芯和绕组组件和信号处理电路组件，信号处理电路组件由开环自激振荡电感性型磁通门电路、交流磁通补偿电路和直流零磁通驱动电路组成；激磁磁通补偿电路的输出信号（即低通滤波器的输出信号）作为直流零磁通驱动电路输入，测量的直流电流误差信号控制比例-积分器驱动功率放大器输出副边补偿电流，用于抵消原边被测直流电流产生的直流磁场，从而构成闭环回路实现直流零磁通。只需要测量电阻上的压降就可以推算得到变压器中性点直流电流，测量的最大误差仅为4ma。
附图说明
13.图1为基于自激振荡电感性型磁通门电路的变压器中性点直流电流传感器的原理图。
14.图2为现场测量取得的变压器中性点缓慢变化的直流电流波形。
具体实施方式
15.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
16.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本技术所列权利要求书限定范围之内。
17.参照图1，基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器，包括磁芯和绕组组件、信号处理电路组件、输出组件。
18.磁芯和绕组组件由2个环形磁芯和3个绕组组成。环形磁芯ⅰc1和环形磁芯ⅱc2均为圆环形磁芯（半径0.2m，截面尺寸20mm
×
2mm），由高磁导率非晶合金材料metglas 2714a制成。3个绕组（原边绕组ⅰw1、原边绕组ⅱw2、副边绕组ⅰw3）为直径0.2mm的漆包线线圈。环形磁芯ⅰc1和环形磁芯ⅱc2的物理特性和几何尺寸完全相同；原边绕组ⅰw1的匝数分别为n1=1000，原边绕组ⅱw2的匝数n2=1000，副边绕组ⅰw3的匝数n3=500。原边绕组ⅰw1和副边绕组ⅰw3缠绕在环形磁芯ⅰc1上。原边绕组ⅱw2缠绕在环形磁芯ⅱc2上。
19.为了方便现场安装，环形磁芯ⅰc1和环形磁芯ⅱc2为活动式开环-闭环结构，环形磁芯ⅰc1缠绕原边绕组ⅰw1和副边绕组ⅰw3，环形磁芯ⅱc2缠绕原边绕组ⅱw2后，环形磁芯ⅰc1和环形磁芯ⅱc2分别嵌设在环形软性塑料两侧，环形磁芯ⅰc1、环形磁芯ⅱc2、环形软性塑料在无绕组部位切断一段形成连接接头，连接接头最好切割成卡槽结构，卡槽结构与切割后的环形开口主体部分卡接；连接接头与环形开口主体部分卡合时为闭环结构，连接接头取下时为开环结构，开环-闭环结构实现磁芯的打开安装和闭合测量。环形磁芯ⅰc1和环形磁芯ⅱc2嵌设在环形软性塑料两侧后外套环形环氧外套，环形环氧外套也在连接接头对应部分切割开口，并设置连接接头部位的环氧外套。原边绕组ⅰw1、副边绕组ⅰw3、原边绕组ⅱw2通过连接线引出并连接测试主机，测试主机中集成信号处理电路组件和输出组件。
20.信号处理电路组件由开环自激振荡电感性型磁通门电路、交流磁通补偿电路和直流零磁通驱动电路组成。
21.开环自激振荡电感性型磁通门电路由原边绕组ⅰw1的电感l1、比较器（型号为op284）、激磁电流采样电阻ⅰr
s1
（3.3k ）、门限电压调零电阻ⅰr1（5.1k ）和门限电压调零电阻ⅱr2（19.6k ）组成，原边绕组ⅰw1的电感l1的一端、比较器的负输入端、激磁电流采样电阻ⅰr
s1
的一端共接，激磁电流采样电阻ⅰr
s1
的另一端接地，比较器的正输入端与门限电压调零电阻ⅰr1的一端和门限电压调零电阻ⅱr2的一端共接，门限电压调零电阻ⅰr1的另一端接地，门限电压调零电阻ⅱr2的另一端与原边绕组ⅰw1的电感l1的另一端、比较器的输出端共接。开环自激电感振荡电路的输出除了连接原边绕组ⅰw1外，还作为交流磁通补偿电路的单位增益反相器的输入。
22.交流磁通补偿电路由单位增益反相器（型号为ad744）、原边绕组ⅱw2、激磁电流采样电阻ⅱr
s2
（10k ）以及高通滤波器（型号为uaf42）组成，单位增益反相器（型号为ad744）的输入端连接比较器的输出端，单位增益反相器的输出端连接原边绕组ⅱw2的一端，原边绕组ⅱw2的另一端与激磁电流采样电阻ⅱr
s2
的一端、高通滤波器的输入端共接，激磁电流采样电阻ⅱr
s2
的另一端接地。交流磁通补偿电路用于抵消环形磁芯ⅰc1中的交流磁通分量。
23.直流零磁通驱动电路由加法器（型号为sn74ls283）、低通滤波器（型号为uaf40）、比例积分器（型号为sn85ls164，比例系数k1=1.0）、功率放大器（型号为uaf42，放大倍数k2=10000.0），以及副边绕组ⅰw3的电感l3。加法器的一个通道输入与原边绕组ⅰw1的电感l1的一端、激磁电流采样电阻ⅰr
s1
的一端共接；加法器的另一个通道输入连接高通滤波器的输出端，加法器的输出端依次串联低通滤波器、比例积分器、功率放大器、副边绕组ⅰw3的电感l3，直流零磁通驱动电路流过副边补偿电流is用于抵消原边被测直流电流产生的直流磁场，从而实现直流零磁通。
24.激磁电流采样电阻ⅱr
s2
上的电压信号v
sn2
经高通滤波器后，与激磁电流采样电阻r
s1
上的电压信号v
sn1
通过加法器相加，其输出信号v
sn12
作为低通滤波器的输入信号。高通滤波器主要用于抑制环境背景直流磁场的干扰。
25.交流磁通补偿电路的输出信号v
dc
（即低通滤波器的输出信号）作为直流零磁通驱动电路输入，表示测量的直流电流误差信号。直流误差信号控制比例-积分器驱动功率放大器输出副边补偿电流is，用于抵消原边被测直流电流产生的直流磁通，从而构成闭环回路实现直流零磁通。
26.输出组件由数字电压表和输出采样电阻构成，输出采样电阻一端连接副边绕组ⅰw3的输出端，输出采样电阻另一端接地，数字电压表连接测量电阻两端，测量输出采样电阻两端电压，经过直流零磁通驱动电路，原边被测电流（大电流）按一定比例精确转换为副边补偿电流is（小电流），而副边补偿电流is则很容易通过测量电阻rm（0.5k ）转为电压信号，然后由数字电压表（型号为sn85ls164）测量得到。由于转换比例已知，由测量得到的副边补偿电流is很容易通过计算得到原边被测电流，原边被测电流即为变压器中性点直流电流，从而实现变压器中性点直流电流的精密测量。其中一个案例现场测量取得的变压器中性点缓慢变化的直流电流波形如图2所示，数字电压表的采样频率取为10hz以保持于缓慢变化变压器中性点直流电流的跟踪测量。
27.本发明的最大优势在于能够将测量的电压信号反推变压器中性点直流电流波形，从而实现电流的非接触式测量。由数字电压表测量的电压计算变压器中性点直流电流i
dc
的方式如下：式中，为测量的直流电流最大误差，u为数字电压表测量的电压，k1为比例积分器的比例常数，k2为放大器的放大倍数，r
s1
为激磁电流采样电阻ⅰ，r
s2
为激磁电流采样电阻
ⅱ
，r1为门限电压调零电阻ⅰ，r2为门限电压调零电阻ⅱ。
28.本发明不仅给出了变压器中性点直流电流的计算公式，还给出了变压器中性点直流电流最大测量误差的估算公式，在现场可获得工程满意的测量结果。
29.基于磁通门的变压器中性点直流电流传感器正常工作时，闭环系统处于直流零磁通状态，交流磁通补偿电路的被测电流等效为零，原边绕组中的交流电流的平均值为零，即低通滤波器的输出信号为零，副边绕组上的感应电压为零，直流电流误差信号为零，即系统处于安匝平衡状态。变压器中性点交流电流/谐波电流导致交流磁通补偿电路的交流激磁电流不为零，交流激磁电流经加法器与开环自激振荡电感性型磁通门电路输出的交流分量相抵消，从而避免交流电流分量和谐波电流分量对直流测量结果的影响。
30.本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在本发明精神上根据现有技术作常规的替换也属于本发明宗旨的保护范围之内。