一种电子式电流互感器的高压侧设计

  （山东理工大学电气与电子工程学院1，山东淄博255049；

  山东科汇电气自动化股份有限公司2，山东淄博255087；国网山东桓台县供电公司3，山东淄博256400）

摘要：针对母线供电方式的电子式电流互感器存在的问题，提出了一种高压侧电路的设计方法。该方法根据母线电流大小自动调节线圈初次级绕组的匝数比，使得在母线电流较大时能够保证电源的稳定性和较低的电路热耗，同时在母线电流较小时保证系统具有较小的供电死区。详细分析了设计原理，具体介绍了软硬件的设计方法，并通过实验验证了设计方法的有效性。

0引言

  电流互感器是电力系统的重要设备，随着电网电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器已不能适应电力系统的发展，电子式电流互感器则由于具有绝缘可靠、测量范围大、频带响应宽、体积小等优点而成为其理想替代产品。

  在电子式电流互感器高压侧的供电方式中，使用CT从母线取能的方式已成为目前主要的实用方式，该方式存在如下不足：①母线电流较小时存在供电死区；②线路电流变化范围较大导致电源的稳定性较差；③母线电流较大时，电路的热耗使高压侧电路温度升高，对电子器件的工作效率、寿命及系统的测量精度都将产生影响。

  使用降低高压侧电路功耗、选用高磁导率铁心材料等方法能够降低系统的供电死区；对电源电路进行过压保护及稳压设计可以提高电源的稳定性，但同时也带来电路成本及复杂度的增加；使用可控硅分流等方案可以降低电路的热耗，但当电流很大时该方法效果不佳。

  本文提出了一种高压侧电路的设计方法，根据母线电流大小自动调整线圈初次级绕组匝数比，有效解决了电源稳定性较差和电路热耗过高的问题，同时又保证了较小的供电死区。

1  电路构成

  本文所设计的电子式电流互感器的高压侧电路由铁心线圈、电源电路、信号处理电路及线圈变比控制电路组成。铁心线圈用于从母线取电；电源电路用于为电路的其他部分供电；信号处理电路从电源电路的二次电流中取出信号，并对其进行比较、放大、滤波、采样等处理，最后送入发光驱动电路，将数字化的光信号通过光纤送至低压侧电路；线圈变比控制电路通过改变线圈次级绕组的匝数改变线圈初级和次级绕组的匝数比。

电路功能框图如图1所示。

2电路分析

  图2为高压侧电路的原理框图。铁芯线圈利用电磁感应原理，从母线得到二次电流，二次电流经固态继电器( SSR)流至电源电路。电源电路由整流滤波、电流／电压转换、电流泄放及DC/DC变换电路构成；信号处理电路由信号提取、信号比较、程控放大、信号滤波及发光驱动电路构成；线圈变比控制电路由继电器驱动及固态继电器构成。CPU作为电路的控制中心，其作用包括：(1)通过监测信号比较电路的输出，判定当前母线电流所处的等级；(2)根据判定的电流等级输出相应的控制信号，使程控放大器( PGA)按照相应的增益对信号进行放大；(3)根据信号比较电路的输出确定要输出的控制信号，使各继电器按照设定的逻辑闭合和断开，由此改变线圈次级绕组的匝数，从而改变线圈初次级绕组的匝数比；(4)控制ADC对滤波后的信号采样，采样后的信号经CPU编码后送入发光驱动电路。

2.1电源电路

  如图3所示，二次电流经过继电器流至电源电路。首先进入由肖特基二极管构成的全波整流电路，将交流电流信号变换为直流电流信号，再通过电容C1为整流后的信号滤波，电容容量越大，滤波效果越好，系统的能量损耗也越小。电阻R2、稳压管D2及三极管Q1用以将电流转换为电压并形成电流泄放回路。当母线电流大小超过供电启动电流时，对应的二次电流进入使经稳压管D2稳压的电流范围，即可获得稳定的电压输出。R2起限流作用，Q1作为调整管使用，其集电极和发射极的导通电阻会随其流经电流的大小而变化，从而形成多余电流的泄放回路，Q1发射级的电压最终稳定在7V。HT7150作为DC/DC模块，用于输出电路需要的电压。Q1构成的电流泄放电路是电源电路的关键，实际过程中，二次电流会随母线电流的增大而增大，电路的泄放电流也相应增大，导致Q1发热比较严重，这是造成电路热耗过大的主要原因，而本文设计的在母线电流较大时自动调节线圈初次级绕组的匝数比，从而将二次侧电流控制在一个较小的数值和变化范围内的方法，则很好地解决了这个问题。

2.2信号处理电路

  信号处理电路原理如图4所示，首先使用1：100的小CT从二次电流中提取电流信号，再通过并联电阻R，将电流转换为电压信号，使用小CT从二次电流提取信号比使用专用的取信号线圈成本更低、系统体积更小；信号经电容隔直后送人电压比较器，由于本设计将电流分三个等级，因此该信号要同时与两个电压比较器的参考电压相比较，参考电压Vrcf1和Vre2的大小设定为母线电流三个等级临界电流最大值对应的电压值。比较器的输出直接被CPU的引脚P1.1和P1.2所监测，CPU根据监测值确定输出给程控放大器的控制信号值，控制信号由引脚P1.5和P1.6发出。该电路中对电流等级的判定使用了CPU根据比较器的输出值判定的方法，该方法具有比用CPU采样后再判定更快的速度。为了提高信号的滤波效果及采样分辨率，进而保证系统的精度，信号在进行比较的同时进行程控增益放大，放大倍数与线圈绕组匝数比相对应，程控放大器使用PGA205，这里使用其1、2、4倍增益，电流大小与信号增益倍数的选择关系如表1所示。放大后的信号送入滤波器，以滤除信号中的噪声及线圈绕组匝数比变化时产生的毛刺信号，这里使用截止频率为13次谐波的二阶有源滤波器。此后，信号还要经采样、CPU编码后送人发光驱动电路，将代表母线电流大小的数值以数字光脉冲的形式通过光纤送至低压侧电路，P2.6为CPU的采样引脚。

2.3线圈变比控制电路

  继电器驱动电路原理如图5所示。将铁芯线圈的次级绕组设计为3个引出端，CPU根据信号比较电路的输出判定当前电流应处的等级后，通过控制相应的固态继电器接通来改变次级绕组的匝数，从而达到改变初次级绕组匝数比的目的。本设计将母线电流分为3个等级，分别用CPU的P2.0、P2.1和P2.2引脚作为控制信号接通次级的a、b和c端。

3关键问题处理

3.1电流等级划分

  将本设计应用于额定电流为400 A的10 kV母线。如表2所示，当母线电流较小时，使用较小的次级绕组匝数可保证较小的供电死区；随着母线电流增大，逐渐增大次级绕组匝数。由此可见，当母线电流在1~120%的额定电流范围内变化时，通过线圈次级绕组匝数的自动调节，可使二次侧电流始终在150 mA以内；当母线电流为额定的400 A时，二次侧电流仅为100 mA；若母线线路出现短路故障，虽然此时电流最多可达到额定电流的20倍，相应的二次侧电流也很大，但由于故障电流的持续时间非常短，其热耗不会对电路产生影响。

由于对线圈设定了1：1  000、1：2 000及1：4 000三种初次级绕组匝数比，且系统已对l：2 000和1：4 000初次级绕组匝数比的信号分别进行了2倍和4倍的放大，因此对互感器标定时以1：1  000为基准。3.2 CPU的工作逻辑

  CPU作为系统的控制核心，其工作逻辑也是系统设计的关键问题。CPU工作逻辑如图6所示。

  CPU首先通过监测电压比较器的输出对母线电流当前应属于的等级进行判断，判定后，不管其当前等级是否与其应该使用的初次级绕组匝数比相一致，CPU都要先对电流采样、计算及编码，尽管这样会使母线电流与绕组匝数比的关系出现与表2不一致的情况，但是可以保证CPU对当前电流值计算的正确性。同时，该时刻到次级绕组匝数改变的间隔时间极短，对电源电路造成的热耗也可以忽略。以上操作完成后，若需要改变次级绕组匝数，CPU再发出控制信号实现次级绕组匝数的改变，同时控制PGA实现增益倍数的相应改变，继电器与PCA的动作时间要一致。实际中，由于继电器动作要慢于PGA，因此对控制信号的发出使用“先继电器，后PGA”的顺序，两次控制信号的发出使用一个微小的时间间隔，以使两者的动作时间同步，延时时间根据PGA芯片和继电器类型测量得到。

4系统测试

  系统的CPU使用超低功耗单片机MSP430F149，其功耗仅为0.6 mW，且集成了12位的ADC；线圈铁芯使用相对磁导率μ=7×l04的铁基纳米晶材料，电路其他芯片均选用低功耗芯片。用等安匝法模拟0~1 000 A的母线电流对电路进行测试，系统的初始化绕组匝数比设定为1：1  000，当母线电流升至6A时电路即可稳定工作，随着母线电流增大，绕组匝数比变为1：2 000。当电流达到额定的400 A时，绕组匝数比变为l：4 000，此时二次侧电流为100 mA，电源电路的热耗明显降低，即使电流达到1000 A，在短暂的时间内，电路的热耗对系统也没有影响，说明了本设计的有效性。

5结束语

  本文提出的电子式电流互感器的高压侧电路的设计方法，通过监测母线电流的大小自动调节线圈初次级绕组的匝数比，使次级绕组匝数随着电流的增大而增大，保证系统在小电流时具有较小的供电死区，在大电流时又具有较小的热耗，同时也可保证电源的稳定性。对电路的设计原理和设计方法进行了详细介绍，通过实际测试验证了设计的有效性。本设计可应用于10 kV测量、保护用电子式电流互感器的设计。