摘 要：电力系统中氧化锌避雷器泄露电流的精确采集对实时评价其运行状况具有重要作用。针对目前泄露电流传感器精度不高的现状，本文研制了一种高精度氧化锌避雷器泄漏电流检测探头，详细分析了检测探头的设计思路，研究了铁芯形状选择及电流传感器的幅频特性，设计了I-V转换、光电隔离放大器、±5V电源、保护电路等模块。在实验室条件下，采用函数发生器输出模拟泄露电流信号对检测探头进行实际测量。实测结果表明：该泄漏电流检测探头测试数据线性度高，达到了99.99%，误差精度不大于0.2%。该探头还具有工作频带宽、线性度好、无接触点等优点，为电力系统中氧化锌避雷器泄漏电流的在线监测提供了一种高精度检测探头。
关键词：高精度；氧化锌避雷器；泄漏电流；电流互感器；探头
Development of A High-Precision Leakage Current Detecting Probe for Metal Oxide Arrester
ZHONG Rongfu，Wei Dongliang
（Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company，Dongguan 523000，Guangdong，China）
Abstract：The precise collection of leakage current of metal oxide arrester in power system plays an important role in real-time evaluation of its operation. Due to the current leakage current sensor accuracy is not enough high，the paper developed a high precision detecting probe of leakage current of metal oxide arrester. The design idea of detecting probe is analyzed in detail. The shape selecting of core and amplitude-frequency characteristic of the current sensor are studied in the paper. I-V converter，optical isolation amplifier，± 5V power supply and protection circuit are designed. In the laboratory condition，the function generator output analog leakage current signal and the probe detect the signal. The results show that the leakage current detection probe has high linearity of 99.99% and error accuracy is not more than 0.2%. The probe also has the advantages of wide working frequency，good linearity and no contact point. It provides a high-precision detection probe for the on-line monitoring of the leakage current of metal oxide arrester in power system.
Keywords：high precision；metal oxide arrester；leakage current；current sensor；probe
0 引言
氧化锌避雷器在电力系统中具有广泛运用，如变电站的过电压保护、输电线路防雷、直流输电系统换流站的过电压保护等[1-2]。它具有优越的非线性保护特性，在正常工作电压下，避雷器阀片电阻很大，可当作绝缘对待；当有大电压冲击时，阀片电阻值立即变为低电阻，可当作导线接地对待；当大电压冲击消失后，其阀片电阻值又恢复绝缘状态。正是这一特性，氧化锌避雷器在电力系统中成为必不可少的保护设备[3-4]。
氧化锌避雷器具有设备造价低、动作快、体积小、可靠性高等优点，但由于经验不足、选用欠妥，结构密封不良，阀片劣化、受潮及气候因素等的作用，将导致氧化锌避雷器泄漏电流增大，泄漏电流中的阻性电流分量使阀片温度上升，产生有功损耗，形成热崩溃，严重时将导致氧化锌避雷器损坏或爆炸，同时与其并联的电力设备将失去过电压保护，直接威胁电力系统的安全稳定性[5-6]。泄漏电流幅值大小是评价氧化锌避雷器运行状况的一个重要参数，因此，实时精确检测氧化锌避雷器的泄漏电流具有重要的意义[7-9]。
检测氧化锌避雷器泄漏电流具有以下难点：一是泄流电流小，一般在零点几毫安到几十毫安；二是监测装置所处运行环境恶劣、干扰严重；三是氧化锌避雷器故障或释放大电流时，幅值很大的冲击电流将对采样装置造成冲击，影响检测精度[10]。目前我国变电站使用的泄漏电流检测传感器种类繁多，测量精度参差不齐，准确级较高的有0.5级。泄漏电流监测精度低，对氧化锌避雷器的运行工况可能做出误判，从而导致事故的发生，严重时将威胁电力系统的安全运行[11-13]。因此，本文针对实际技术难题，研制一种高精度、高可靠性的泄流电流在线监测探头，用于保障氧化锌避雷器泄漏电流的在线监测。
1 检测探头整体设计方案
通过泄露电流检测探头内的电磁采集单元采集避雷器组中接地引线上的电流，取得三相泄露电流模拟信号（微弱信号）。通过电子电路内的电流转电压（I-V）模块将uA级的电流信号转换为V级的电压信号，再将电压信号通过光电隔离放大器模块进行线性放大，探头整体设计如图1所示。
光电隔离放大器模块具有抗外部干扰、隔离的作用，能够有效抑制共模信号入侵。采用稳压芯片设计了正负5V电源，为I-V转换模块和光电隔离放大器模块提供稳定电源。此外，I-V转换模块输入和光电隔离放大器模块输出均采用保护电路，防止过电压和干扰信号通过连接导线侵入。
由于将电子电路集成在泄露电流检测探头内部，与电磁采集单元处在同一屏蔽罩内，有效防止了检测探头受外部电磁的干扰。光电隔离放大器模块输出的电流信号通过屏蔽导线与接收终端连接，保证了数据传输至接收终端过程中的真实性和准确性。对探头外壳进行一体化设计，保证良好的绝缘、机械强度和密封性，防止雨露雾霾和高温对探头产生影响，适应户外使用。
图2 电子电路整体设计框图
Fig.2 Design diagram of electronic circuit
电子电路主要由±5V电源、放电二极管、电流转电压（I-V）模块，光电隔离放大器模块和保护电路电桥组成，结构流程图见图2所示。电流信号输入来源于电磁采集单元，在输入的过程中为了防止过电压损坏电路，采用两个放电二极管保护信号输入，I-V模块将信号由电流信号转换为电压信号，并具有滤波作用；电压信号经过光电隔离放大器模块，将原信号与输出信号进行物理隔离，并将信号放大8倍；输出过程中，采用肖特基二极管组成的电桥防止输出端通过线路入侵的过电压，保护电路不收外部信号损坏。±5V稳压电源为I-V模块、光电隔离放大器模块和保护电路电桥提供稳定电源。
2 泄漏电流检测探头关键部分设计
2.1 电流传感器铁芯形状的选择
氧化锌避雷器泄漏电流采集利用罗氏线圈，根据安培环路定律可知，沿着磁路的磁场强度和磁路的平均长度乘积等于磁动势，即为励磁电流与励磁线圈匝数的乘积，可得环形线圈内的磁场强度[11]。环形穿心式电流互感器的结构如图3所示。
HL=NI （1）
H=NI/L （2）
式中，H为磁场强度，N为线圈匝数，I为励磁电流，L为磁路的平均长度。
对于有不同材料或不同截面积的铁芯组成的磁路，以及有气隙的磁路，均可按此定律进行计算。只要NI 相同、L 相同，不论铁芯做成环形、矩形或其他形状，其内磁场强度都相等。在实际应用中，由于环形铁芯易加工，缠绕线圈方便，不存在死角，磁场均匀，一般都采用环形铁芯。方形或其它形状的铁芯加工和缠绕线圈都存在一定困难，磁场不均匀，易产生死角，形成漏磁，会严重影响互感器的灵敏度和测量精度，除特殊需要外一般不予采用。
本文采用定制铁氧体环形磁芯，其相对于普通铁芯，铁氧体磁芯具有导磁率高但不导电、稳定性好、损耗低等优势；环形磁芯具有缠绕线圈方便，磁场均匀等优点。
图4 电流传感器的等效电路图
Fig.4 Equivalent circuit of current transformer
2.2 电流传感器幅频特性分析
氧化锌避雷器泄漏电流传感器除了需测量正常工作下的电流外，还需测量氧化锌避雷器套管表面放电引起的高频电流信号，因此电流传感器需具有较宽的工作频带。图4为电流传感器的等效电路图。
在图4中，M为线圈的互感，Ls为线圈的自感；Cs为线圈的等效杂散电容；Rs为线圈的等效电阻；R为线圈的积分电阻（与电感Ls组成积分电路）；ui（t）为互感产生的电势；u0（t）为线圈积分电阻产生的电压。根据图4所示的电流互感器等效电路[14-16]，可列出电路方程式为：
式（14）、（15）中，为相对磁导率；为副边线圈匝数；为线圈高度；为线圈内经；为线圈外径。
由式（14）分析可得，线圈电感与线圈磁芯磁导率、线圈匝数、线圈高度、线圈内外半径有关。线圈匝数增加，增大，电流互感器的频带变宽，但由式（10）可得，其响应灵敏度将下降。
当磁芯材料和线圈尺寸确定后，电流互感器的频带宽度和灵敏度将主要决定于积分电阻和线圈匝数。积分电阻决定电流传感器的高频上限和低频下限，越小，工作频带越宽，但是积分电阻减小将使电流传感器的输出电压下降，很难被准确测量。既要保证电流传感器具有足够的灵敏度，又要获得较宽的频带对于传统方法来说是很难实现的，但可通过I-V转换模块解决。
2.3 I-V转换模块的设计
为使电流互感器能获得较宽的工作频带，须降低积分电阻，同时输出的电压信号足够大，为此设计了I-V转换电路，如图5所示。I-V转换电路采用模拟运算放大器OP07CS、电阻R1、电阻R2、以及两个肖特基二极管D1、D2组成。其中，两个肖特基二极管D1、D2的作用是保护模拟运算放大器的输入，防止过电压；电阻R1，R2用于控制运算放大器放大倍数，使μA级的电流输入转换成V级的电压信号输出。
式中，为运算放大器反馈电阻；为运算放大器输入电阻（理想状态下为0）；为I-V转换模块输入电阻。
由式（16）可知，通过调节可调节输出电压Vo的幅值，同时对上下限截止频率无影响。分析式（17）、式（18）可得，和共同影响上下限截止频率，由于运算放大器输入阻抗极小（理想状态下为0），通过调小可得较大的上限截止频率和较小的下限截止频率，增加工作频率带宽。
本文经过研究后R2取100kΩ，R1取1Ω，副边线圈匝数N取1000匝。
2.4 光电隔离放大器模块的设计
光电隔离放大器模块由光电隔离放大器芯片HCPL-7840[17-18]，分流电阻R3，限流电阻R4、R5，滤波电容C1和+5V稳压电源组成。光电隔离放大器模块的功能是将电压信号转换成电流信号，并将其放大8倍，其原理如图7所示。芯片内部完成电光信号转换、光电信号转换，有效防止外部电磁干扰，输出绝缘电阻高，提高了信号传输精度。
图8 ±5V电源设计图
Fig.8 Design of ±5V power supply
2.6 放电二极管的设计
电磁采集单元输出信号可能会产生过电压，为防止过电压进入电子电路，采用两二极管保护电路，其原理如图9所示。当输入信号存在正的过电压时，D4可将过电压过滤入地；当输入信号存在负的过电压时，D3可将过电压过滤入地。
图10 保护电路电桥原理图
Fig.10 Bridge of protection circuit
2.7 保护电路电桥的设计
为防止外部输出线路对电子电路的影响，采用电桥电路来消除外部电路对内的干扰，电桥由四个肖特基二极管组成，肖特基二极管是一种低功耗、超高速半导体器件，正向导通电压为0.4V，通流能力大，反向恢复时间快等特点，当外部有高频信号侵入电子电路时，保证电子电路不受损坏，其原理如图10所示。
3 泄漏电流检测探头实验测试
利用北京普源精电科技公司推出的DG4062函数发生器产生稳定的电流信号，测量信号端采用北京普源精电科技公司的DM3058高精度数字万用表，测量准确度为0.015%，对本文研制的高精度氧化锌避雷器泄漏电流探头进行实测，测试结果如表1所示，并对表1数据进行拟合，结果如图11所示。
表1 高精度泄漏电流探头实测数据
Table 1 Measured data of high precision leakage current probe
图11高精度泄漏电流探头实测数据拟合曲线
Fig.11 Measured data fitting curve of high precision leakage current probe
4 结论
高精度泄漏电流检测探头的研制需从铁芯的材料、形状，电流互感器的幅频特性、隔离措施、保护方法等考虑，通过认真研究各模块的影响因素，尽可能提高检测精度和排除外部干扰，研制出一种精度为0.2级，线性优度为99.99%的泄漏电流检测探头。
（1）通过对电流传感器铁芯形状分析，可得环形铁芯具有绕线方便、不存在死角，磁场均匀，漏磁小；铁氧体磁芯相对于普通铁芯，具有导磁率高、不导电、稳定性好、损耗低等优势，因此定制铁氧体环形铁芯有利于提高测量灵敏度和精度。
（2）通过对电流传感器的幅频特性分析，可得积分电阻越小，工作频带越宽，但是积分电阻减小将会使电流传感器的输出电压下降，不利于准确测量。利用I-V转换模块解决上述难题，通过减小电阻R1来增大工作频率带宽；通过增大R2获得较大范围的输出电压。
（3）光电隔离放大器模块可有效防止外部电磁干扰，±5V稳压电源为探头内部各模块提供电源。
（4）对探头外壳进行一体化设计，保证良好的绝缘、机械强度和密封性，防止雨露雾霾和高温对探头产生影响，适应户外使用。
（5）本文研制的探头精度达到0.2级，属于高精度探头。该探头还具有工作频带宽、线性度好等优点，为电力系统中氧化锌避雷器泄漏电流的在线监测提供了可靠手段。
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作者简介：
钟荣富（1988-），男，硕士，主要从事高压电气设备试验工作。
职创项目-高精度一次设备泄漏电流在线采集装置的研制编号：GDZC-031920160261
论文作者:钟荣富,魏东亮
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/2
标签：电流论文; 避雷器论文; 氧化锌论文; 过电压论文; 线圈论文; 信号论文; 模块论文; 《电力技术》2016年第11期论文;