一二次深度融合用電子傳感器的工程應(yīng)用
2020-2-10 12:34:16??????點擊：
一種用于一二次深度融合的電子傳感器在工程實際應(yīng)用中遇到的若干問題，分析原因，并提出相應(yīng)的解決方案。結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)對比分析，驗證方案適用于10kV柱上斷路器內(nèi)置電子傳感器輸出信號的采樣，對一二次深度融合設(shè)備的工程應(yīng)用也有一定的參考意義。
國家電網(wǎng)公司在2016年末提出的“配網(wǎng)自動化終端DTU/FTU需要考慮一二次設(shè)備融合的需求和考慮采用電子式互感器來取代傳統(tǒng)的電磁式互感器”的總體思路成為了現(xiàn)階段幾乎所有配網(wǎng)自動化終端生產(chǎn)企業(yè)的研究對象。
本文主要針對10kV柱上斷路器內(nèi)置電子傳感器的輸出信號采樣在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問題進行分析，并提出解決方案。
1 一二次深度融合成套設(shè)備工程應(yīng)用中遇到的問題
某一客戶現(xiàn)場掛網(wǎng)運行的線路保護裝置采用一二次深度融合成套設(shè)備，10kV柱上斷路器內(nèi)置電壓、電流電子傳感器，電流傳感器采用低功耗鐵心線圈電流互感器（LPCT），電壓傳感器采用電容分壓式傳感器（CVT），控制單元采用基于無源電子傳感器的智能饋線終端（FTU）。
在設(shè)備掛網(wǎng)運行一段時間中出現(xiàn)以下故障：①設(shè)備報“后備欠壓”及“電壓采樣錯誤”報警，三相電壓采樣值為：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序電壓U0：2604V；②FTU電流采樣端子斷開輸入電纜，零序電流I0顯示6.5A；電纜接入電流輸入端子后，I0顯示為0。
針對上述情況，用萬用表在傳感器輸出口測試電壓、電流輸出數(shù)值均正常。現(xiàn)場掛網(wǎng)運行設(shè)備的交流采樣部分原理框圖如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場FTU交流采樣電路示意圖
2 問題分析
根據(jù)第1節(jié)的現(xiàn)場描述可以判斷電子傳感器及AD芯片等后級電路是正常工作的，那么故障就發(fā)生在交流信號的保護電路和調(diào)理電路。
2.1 三相電流采樣電路分析
圖2所示為三相電流采樣電路。將樣機的電流信號線對機殼施加500V工頻電壓時未通過，信號線對機殼施加GB/T 15153.1中規(guī)定的浪涌4級及GB/T 17626.4中規(guī)定的電快速瞬變脈沖群干擾4級時均未通過。
如圖2所示分析，電流信號輸入端采用壓敏電阻10K390抑制差模及共模干擾，抑制共模干擾的壓敏電阻存在動作電壓低，信號線對機殼承受的耐壓較低以及EMC浪涌試驗通不過等問題。
圖2 三相電流采樣電路
電子式電流傳感器采用低功耗鐵心線圈電流互感器，自帶線圈隔離，可以避免因一二次側(cè)間信號與電源共地而引起的測量誤差；但電子式電壓傳感器從10kV母線通過低壓臂電容分壓到FTU的信號輸入間完全沒有隔離措施，這將引起：①高壓一次側(cè)引入二次側(cè)；②因一、二次側(cè)間信號與電源共地而引起的測量誤差。
2.2 三相電壓、零序電壓及零序電流采樣電路分析
如圖3所示為三相電壓、零序電壓及零序電流采樣電路。信號輸入端保護采用壓敏電阻10K390及TVS。但由于10K390的動作電壓為39V，存在同圖2一樣的問題。
圖3 交流電壓及零序電流采樣電路
根據(jù)運放“虛短”、“虛斷”：
表1 TVS存在時測試結(jié)果
表2 TVS去除時測試結(jié)果
此外，零序電流由于信號幅值較小（額定值0.2V），易受高頻、接地及工頻干擾，造成輸入端懸空時零序電流有數(shù)值顯示。
3 解決方案
為了解決上述電磁兼容及交流采樣不準等問題，保證測量精度及可靠性，本文從信號的傳輸、隔離以及AD轉(zhuǎn)換方面提出解決方案，其中隔離方式提出兩種方案。
3.1 雙絞屏蔽線長線傳輸
信號在傳輸過程中會受到電場、磁場和地電位等干擾因素的影響，因此，對于電子傳感器模擬小信號而言，為了獲得更好的信號質(zhì)量，建議采用雙絞屏蔽線。雙絞屏蔽線分為單屏蔽層和雙屏蔽層。
雙屏蔽層要求內(nèi)外層絕緣，成本較高；但它對高頻信號的抗干擾能力較好，在實際應(yīng)用中，可將內(nèi)屏蔽層在二次側(cè)接地，外屏蔽層在一次側(cè)接地。若采用單屏蔽雙絞線，則應(yīng)在接收信號的二次側(cè)將屏蔽層單端接地。
3.2 微型互感器方案
考慮到電子式電流傳感器是LPCT，自帶線圈隔離，但信號需經(jīng)8～15m長的電纜傳輸；而電子式電壓傳感器輸出信號調(diào)理回路沒有任何隔離措施，故將交采回路設(shè)計為微型互感器采集，原理框圖如圖4所示。
3.3 光電耦合隔離方案
如圖5所示，本設(shè)計采用高速線性光耦HCNR201進行光電隔離，它具有超低線性度（0.01%）、低增益溫度系數(shù)、耐壓等級高（5kV）、隔離電壓高（最高隔離8kV）、單向傳輸、抗共模干擾能力強及信號一比一線性高速傳輸?shù)葍?yōu)點。交流電壓信號經(jīng)過調(diào)理后接入光耦，光耦將夾雜在輸入量中的各種干擾脈沖都擋在輸入側(cè)，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。
圖4 微型互感器方案
圖5 光電耦合隔離電路
3.4 ADC采樣
輸入信號為交流小電壓信號，采用差分輸入， AD芯片采用MAX11046，該芯片具有3?s快速轉(zhuǎn)換時間，高吞吐率：每個通道為250ksps，16位/14位高速并行接口，低溫漂、高精度4.096V內(nèi)部基準支持±5V輸入范圍，3.0V至4.25V外部基準范圍，支持±4.0V至±5.2V滿量程輸入范圍，滿足交流模擬量輸入通道需要10M?以上輸入阻抗匹配要求。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
以零序電流為例，柱上斷路器與FTU間的連線采用方案1中的單屏蔽雙絞線，屏蔽層在FTU端接地；隔離方案采用方案2中的微型互感器隔離，AD轉(zhuǎn)換芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路經(jīng)改進后與電子式傳感器聯(lián)調(diào)結(jié)果見表3。測量精度滿足0.5級互感器的比差要求（＜0.5% 。
但微型互感器方案在測試相位誤差時發(fā)現(xiàn)“1V/0.35V”互感器角差為5°，“0.2V/0.2V”互感器在信號下降沿角差為2.3°，這將不滿足相差不大于10′的標準規(guī)定。相角偏移是電容因素引起的，包括前面的電容分壓器、傳輸電纜分布電容以及互感器線圈分布電容等因素，可以采取一定的補償措施對電路的相位特性進行改善。
表3 零序電流聯(lián)調(diào)測試結(jié)果
仍以零序電流為例，柱上斷路器與FTU間的連線采用方案1中的單屏蔽雙絞線，屏蔽層在FTU端接地；隔離方案采用方案3中的光耦隔離，AD轉(zhuǎn)換芯片采用方案4中的MAX11046芯片。測量精度亦可滿足0.5級互感器的比差要求（＜0.5%），測試相位誤差時采用示波器對比輸入與輸出端的波形如圖6所示。
光滑曲線為輸入信號，帶點曲線為輸出信號，由圖可知，輸入線與輸出線基本重合，線性度較好；輸入信號有效值為10mV時，輸出信號有效值為9.98mV，相位誤差在5′左右，滿足0.5級電子式互感器對采樣精度的要求。
圖6 光耦隔離試驗波形
結(jié)論
綜上所述：①三相電壓采樣電路、零序電壓采樣電路和零序電流采樣電路輸入端串聯(lián)的限流電阻與TVS形成分壓，影響了采樣精度；②電路中采用的防護器件的等級不夠，對高壓側(cè)串入的干擾不能很好的防護。
鑒于此，文中采用方案1解決8～15m電纜上疊加的電磁干擾，采用方案2或方案3可以完全隔離一二次側(cè)相互串擾問題，方案4提高AD轉(zhuǎn)換的速度、精度以及高輸入阻抗匹配問題。
本文采用方案1、方案3以及方案4結(jié)合設(shè)計了FTU交采回路，F(xiàn)TU機箱采用復(fù)合型電磁屏蔽結(jié)構(gòu)及合理的接地設(shè)計。經(jīng)過本設(shè)計處理后的一二次深度融合成套設(shè)備已經(jīng)順利通過電磁兼容等試驗項目驗證，符合國家配電自動化設(shè)備相關(guān)標準。
國家電網(wǎng)公司在2016年末提出的“配網(wǎng)自動化終端DTU/FTU需要考慮一二次設(shè)備融合的需求和考慮采用電子式互感器來取代傳統(tǒng)的電磁式互感器”的總體思路成為了現(xiàn)階段幾乎所有配網(wǎng)自動化終端生產(chǎn)企業(yè)的研究對象。
本文主要針對10kV柱上斷路器內(nèi)置電子傳感器的輸出信號采樣在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問題進行分析，并提出解決方案。
1 一二次深度融合成套設(shè)備工程應(yīng)用中遇到的問題
某一客戶現(xiàn)場掛網(wǎng)運行的線路保護裝置采用一二次深度融合成套設(shè)備，10kV柱上斷路器內(nèi)置電壓、電流電子傳感器，電流傳感器采用低功耗鐵心線圈電流互感器（LPCT），電壓傳感器采用電容分壓式傳感器（CVT），控制單元采用基于無源電子傳感器的智能饋線終端（FTU）。
在設(shè)備掛網(wǎng)運行一段時間中出現(xiàn)以下故障：①設(shè)備報“后備欠壓”及“電壓采樣錯誤”報警，三相電壓采樣值為：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序電壓U0：2604V；②FTU電流采樣端子斷開輸入電纜，零序電流I0顯示6.5A；電纜接入電流輸入端子后，I0顯示為0。
針對上述情況，用萬用表在傳感器輸出口測試電壓、電流輸出數(shù)值均正常。現(xiàn)場掛網(wǎng)運行設(shè)備的交流采樣部分原理框圖如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場FTU交流采樣電路示意圖
2 問題分析
根據(jù)第1節(jié)的現(xiàn)場描述可以判斷電子傳感器及AD芯片等后級電路是正常工作的，那么故障就發(fā)生在交流信號的保護電路和調(diào)理電路。
2.1 三相電流采樣電路分析
圖2所示為三相電流采樣電路。將樣機的電流信號線對機殼施加500V工頻電壓時未通過，信號線對機殼施加GB/T 15153.1中規(guī)定的浪涌4級及GB/T 17626.4中規(guī)定的電快速瞬變脈沖群干擾4級時均未通過。
如圖2所示分析，電流信號輸入端采用壓敏電阻10K390抑制差模及共模干擾，抑制共模干擾的壓敏電阻存在動作電壓低，信號線對機殼承受的耐壓較低以及EMC浪涌試驗通不過等問題。
圖2 三相電流采樣電路
電子式電流傳感器采用低功耗鐵心線圈電流互感器，自帶線圈隔離，可以避免因一二次側(cè)間信號與電源共地而引起的測量誤差；但電子式電壓傳感器從10kV母線通過低壓臂電容分壓到FTU的信號輸入間完全沒有隔離措施，這將引起：①高壓一次側(cè)引入二次側(cè)；②因一、二次側(cè)間信號與電源共地而引起的測量誤差。
2.2 三相電壓、零序電壓及零序電流采樣電路分析
如圖3所示為三相電壓、零序電壓及零序電流采樣電路。信號輸入端保護采用壓敏電阻10K390及TVS。但由于10K390的動作電壓為39V，存在同圖2一樣的問題。
圖3 交流電壓及零序電流采樣電路
根據(jù)運放“虛短”、“虛斷”：
表1 TVS存在時測試結(jié)果
表2 TVS去除時測試結(jié)果
此外，零序電流由于信號幅值較小（額定值0.2V），易受高頻、接地及工頻干擾，造成輸入端懸空時零序電流有數(shù)值顯示。
3 解決方案
為了解決上述電磁兼容及交流采樣不準等問題，保證測量精度及可靠性，本文從信號的傳輸、隔離以及AD轉(zhuǎn)換方面提出解決方案，其中隔離方式提出兩種方案。
3.1 雙絞屏蔽線長線傳輸
信號在傳輸過程中會受到電場、磁場和地電位等干擾因素的影響，因此，對于電子傳感器模擬小信號而言，為了獲得更好的信號質(zhì)量，建議采用雙絞屏蔽線。雙絞屏蔽線分為單屏蔽層和雙屏蔽層。
雙屏蔽層要求內(nèi)外層絕緣，成本較高；但它對高頻信號的抗干擾能力較好，在實際應(yīng)用中，可將內(nèi)屏蔽層在二次側(cè)接地，外屏蔽層在一次側(cè)接地。若采用單屏蔽雙絞線，則應(yīng)在接收信號的二次側(cè)將屏蔽層單端接地。
3.2 微型互感器方案
考慮到電子式電流傳感器是LPCT，自帶線圈隔離，但信號需經(jīng)8～15m長的電纜傳輸；而電子式電壓傳感器輸出信號調(diào)理回路沒有任何隔離措施，故將交采回路設(shè)計為微型互感器采集，原理框圖如圖4所示。
3.3 光電耦合隔離方案
如圖5所示，本設(shè)計采用高速線性光耦HCNR201進行光電隔離，它具有超低線性度（0.01%）、低增益溫度系數(shù)、耐壓等級高（5kV）、隔離電壓高（最高隔離8kV）、單向傳輸、抗共模干擾能力強及信號一比一線性高速傳輸?shù)葍?yōu)點。交流電壓信號經(jīng)過調(diào)理后接入光耦，光耦將夾雜在輸入量中的各種干擾脈沖都擋在輸入側(cè)，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。
圖4 微型互感器方案
圖5 光電耦合隔離電路
3.4 ADC采樣
輸入信號為交流小電壓信號，采用差分輸入， AD芯片采用MAX11046，該芯片具有3?s快速轉(zhuǎn)換時間，高吞吐率：每個通道為250ksps，16位/14位高速并行接口，低溫漂、高精度4.096V內(nèi)部基準支持±5V輸入范圍，3.0V至4.25V外部基準范圍，支持±4.0V至±5.2V滿量程輸入范圍，滿足交流模擬量輸入通道需要10M?以上輸入阻抗匹配要求。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
以零序電流為例，柱上斷路器與FTU間的連線采用方案1中的單屏蔽雙絞線，屏蔽層在FTU端接地；隔離方案采用方案2中的微型互感器隔離，AD轉(zhuǎn)換芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路經(jīng)改進后與電子式傳感器聯(lián)調(diào)結(jié)果見表3。測量精度滿足0.5級互感器的比差要求（＜0.5% 。
但微型互感器方案在測試相位誤差時發(fā)現(xiàn)“1V/0.35V”互感器角差為5°，“0.2V/0.2V”互感器在信號下降沿角差為2.3°，這將不滿足相差不大于10′的標準規(guī)定。相角偏移是電容因素引起的，包括前面的電容分壓器、傳輸電纜分布電容以及互感器線圈分布電容等因素，可以采取一定的補償措施對電路的相位特性進行改善。
表3 零序電流聯(lián)調(diào)測試結(jié)果
仍以零序電流為例，柱上斷路器與FTU間的連線采用方案1中的單屏蔽雙絞線，屏蔽層在FTU端接地；隔離方案采用方案3中的光耦隔離，AD轉(zhuǎn)換芯片采用方案4中的MAX11046芯片。測量精度亦可滿足0.5級互感器的比差要求（＜0.5%），測試相位誤差時采用示波器對比輸入與輸出端的波形如圖6所示。
光滑曲線為輸入信號，帶點曲線為輸出信號，由圖可知，輸入線與輸出線基本重合，線性度較好；輸入信號有效值為10mV時，輸出信號有效值為9.98mV，相位誤差在5′左右，滿足0.5級電子式互感器對采樣精度的要求。
圖6 光耦隔離試驗波形
結(jié)論
綜上所述：①三相電壓采樣電路、零序電壓采樣電路和零序電流采樣電路輸入端串聯(lián)的限流電阻與TVS形成分壓，影響了采樣精度；②電路中采用的防護器件的等級不夠，對高壓側(cè)串入的干擾不能很好的防護。
鑒于此，文中采用方案1解決8～15m電纜上疊加的電磁干擾，采用方案2或方案3可以完全隔離一二次側(cè)相互串擾問題，方案4提高AD轉(zhuǎn)換的速度、精度以及高輸入阻抗匹配問題。
本文采用方案1、方案3以及方案4結(jié)合設(shè)計了FTU交采回路，F(xiàn)TU機箱采用復(fù)合型電磁屏蔽結(jié)構(gòu)及合理的接地設(shè)計。經(jīng)過本設(shè)計處理后的一二次深度融合成套設(shè)備已經(jīng)順利通過電磁兼容等試驗項目驗證，符合國家配電自動化設(shè)備相關(guān)標準。
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