丁家峰    中南工業大學
　　【摘要】介紹了LEM 電流傳感器在進行變電站高電壓側各絕緣性能在線監測系統中的應用，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，測量電路的電路構成，在線測量系統存在的問題進行了討論。
　　關鍵詞：電流傳感器;  在線監測;  介電常數;  高電壓
1 引言
   在線監測電容型設備的絕緣介電特性，對保證設備安全可靠運行，防止事故的發生會起到很好的作用。
   為了不影響設備原有的接線方式，在介電特性監測中，一般要采用環型鐵芯結構的電流傳感器套在設備接地線上，抽取設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，其沒有電的直接聯系，可使二次測量設備及橄型計算機免受主電路中危險過電壓造成的破壞.              
   介電特性在線監測系統的基本原理如圖1所示。通過對電壓、電流信號的相位和幅值進行比較，由計算機系統得到有關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健的環節。為了準確反映被測設備的真實狀態，在線監視系統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)工作穩定性好，溫度系數小而且穩定，結構簡單，體積小。
   為此，本系統中選擇了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。它的突出優點在于把普通傳感器與霍爾器件、電子電路有機地結合起來，這樣既發揮了普通傳感器的測量范圍大的優勢，又利用了電子電路反應速度快的長處。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，即主電流回路所產生的磁場，通過一個次級線圈的電流所產生的磁場進行補償，使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態。其具體工作過程為:當主回路有一大電流IP流過時，會在導體周圍產生一個強磁場，這一磁場被聚磁環聚集，并作用于霍爾器件，使其有一個信號輸出，這一信號經放大器A放大，輸入到功率放大器中，這時，相應的功率管的導通壓降改變，從而獲得一個補償電流Is，由于Is流過多匝繞組，使多匝導線產生一磁場Hs，而Hs與主電流Ip所產生的磁場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與匝數相乘所產生的磁場與Ip所產生的磁場相等時，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完成的，所需時間在1ns之內。這是一個動態平衡過程，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，在經放大器放大后，立即就會有相應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在任何時間都與主電流的安匝數一樣，即 
                   
   式中:N，為原級匝數;N.為次級匝數;I，為原級電流;I。為次級電流。
在實際應用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Np、次級匝數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為模塊內功率管的飽和壓降，VCES應小于3V，一般VCES=0.5V;Rt為次級線圈電阻(或稱副邊電阻、內部電阻); RM為外接測量電阻。
                   
3 實驗
   在線監測系統的基本原理如圖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，通過微處理器對數據處理后，就能夠消除電路對相角和幅值所產生的誤差。信號經鑒相后輸入MCU進行脈寬測量，再經MCU數據處理后獲得介質損耗變化、信號頻率的信息。信號經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。
   由于在線監測系統的傳感器安在室外，現場的環境溫度變化對測量結果有一定的影響，所以在線檢測系統有必要進行溫度校正。本系統在現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成的單信號數字化溫度傳感器，它可將被測溫度直接轉換成數字信號輸出，溫度值不需要經電橋電路獲取電壓模擬,再經信號放大和模數轉換變為數字信號，從而避免了傳統傳感器存在的參數不一致，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，串行輸入到MCU后, 由MCU根據溫度的變化對測量數據進行校正。
4 實驗結果
   在上網之前，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為模擬測試數據，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運行、表2中列出了其中5臺設備在運行半年中所測得的數據。在此期間，設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，其數據也列于表2中。從表中數據可以看出，數據有較好的穩定性。 
 
5 結論
   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，要獲得最佳的動態特性和靈敏度，必須注意副邊有合適的安匝數，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，現場應用時,需要進行溫度校正。實際使用證明:本介電特性在線監測方法作為常規停電預測的代替措施是可行的。