一二次深度融合用電子傳感器的工程應用
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用中遇到的若干問題，分析原因，并提出相應的解決方案。結合實際測量數(shù)據(jù)對比分析，驗證方案適用于10kV柱上斷路器內置電子傳感器輸出信號的采樣，對一二次深度融合設備的工程應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)自動化終端生產企業(yè)的研究對象。
本文主要針對10kV柱上斷路器內置電子傳感器的輸出信號采樣在實際工程應用中出現(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備工程應用中遇到的問題
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備，10kV柱上斷路器內置電壓、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）。
在設備掛網(wǎng)運行一段時間中出現(xiàn)以下故障：①設備報“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高壓一次側引入二次側；②因一、二次側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存在時測試結果
表2 TVS去除時測試結果
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，在實際應用中，可將內屏蔽層在二次側接地，外屏蔽層在一次側接地。若采用單屏蔽雙絞線，則應在接收信號的二次側將屏蔽層單端接地。
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理回路沒有任何隔離措施，故將交采回路設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，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)調結果見表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)調測試結果
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相互串擾問題，方案4提高AD轉換的速度、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結合設計了FTU交采回路，F(xiàn)TU機箱采用復合型電磁屏蔽結構及合理的接地設計。經(jīng)過本設計處理后的一二次深度融合成套設備已經(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備相關標準。
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)自動化終端生產企業(yè)的研究對象。
本文主要針對10kV柱上斷路器內置電子傳感器的輸出信號采樣在實際工程應用中出現(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備工程應用中遇到的問題
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備，10kV柱上斷路器內置電壓、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）。
在設備掛網(wǎng)運行一段時間中出現(xiàn)以下故障：①設備報“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高壓一次側引入二次側；②因一、二次側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存在時測試結果
表2 TVS去除時測試結果
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，在實際應用中，可將內屏蔽層在二次側接地，外屏蔽層在一次側接地。若采用單屏蔽雙絞線，則應在接收信號的二次側將屏蔽層單端接地。
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理回路沒有任何隔離措施，故將交采回路設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，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)調結果見表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)調測試結果
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相互串擾問題，方案4提高AD轉換的速度、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結合設計了FTU交采回路，F(xiàn)TU機箱采用復合型電磁屏蔽結構及合理的接地設計。經(jīng)過本設計處理后的一二次深度融合成套設備已經(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備相關標準。
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