直流输电线路直流测量的应用

直流输电线路直流测量的应用

0巨磁电阻效应测量系统的应用电力工业在经济发展中发挥着重要作用。国家中长期科学、技术发展计划确定了“大规模供电和电网安全”作为优先事项之一，并强调了“长距离长距离供电技术”的重要性。因此,特高压直流输电线路中直流电流准确检测的需求日益迫切。早在1936年,德国科学家克莱麦尔教授就研制成功了直流电流互感器,随后分流器法、霍尔效应法、直流电流比较仪法、法拉第效应法等多种直流电流测量方法得到了较广泛的研究。但是随着直流输电系统的发展,电压等级和电网容量均呈快速增加趋势,这些方法在实际应用中均遇到了不少问题,如绝缘设计困难、结构复杂、长期运行稳定性较差等,难以满足电力系统快速发展的需求,因此,需要研究新型的测量方法。为此,本文尝试将巨磁电阻效应应用于直流电流测量。作为2007年诺贝尔物理奖获得者的原创性发现,巨磁电阻效应自1988年被发现起就得到了研究人员的广泛重视,在很多领域得到了成功应用,奠定了其在电力系统中应用的理论基础。但是具体应用于电力系统,仍存在不少问题。针对这些问题,本文设计了相应的研究方法,深入研究了巨磁电阻传感器在实际应用过程中温度、非线性等误差因素的影响及补偿问题,提出了相应的解决方法。设计了基于巨磁电阻传感器的电子式直流电流互感器结构,提出的冗余备份方法能够有效改善其长期运行的可靠性水平,实测结果验证了研究工作的合理性和正确性。1等效电阻传感器巨磁电阻效应理论复杂,对不同类型的巨磁电阻材料而言,其作用机理也不相同,而且多数作用机理目前仍处在探索阶段。相对比较成熟的是利用二流体模型对磁性多层膜的巨磁电阻效应进行定性解释,如图1所示。二流体模型中,铁磁金属中的电流由自旋向上和自旋向下的电子分别传输,自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受的散射小,因而电阻率低。当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时,自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别接受周期性的强、弱散射,因而均表现为高阻态R1;当多层膜中的相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时,自旋向上的传导电子受到较弱的散射作用,构成了低阻通道R3,而自旋向下的传导电子则因受到强烈的散射作用而形成高阻通道R2,由于2个通道为并联通道,所以多层膜表现为低阻状态,即随着外加磁场的变化,多层膜的等效电阻将呈下降趋势。对于巨磁电阻传感器,通常构造成如图2所示的惠斯登电桥结构来进行测量。由于到目前为止所有的理论模型都只能定性对巨磁电阻效应的作用机理进行解释,尚不能建立定量的模型,因此在实际应用中必须对传感器特性进行全面的测试。2静态特性测试装置通过上文对巨磁电阻传感器的原理介绍可以看出,将其应用于直流电流测量,其实质是对静态磁场的敏感。为全面了解其静态特性,设计并完成了图3所示的静态磁场下巨磁电阻传感器外特性测试装置,以获取其全面的静态特性指标。图3(a)中,电流源输出直流电流,流过图3(b)所示的印制电路板(PCB)结构,将在距PCB上通流导线R处产生静态磁场,巨磁电阻传感器的放置方式如图3(a)所示,与直流电流所产生磁场的方向垂直。直流电流大小通过功率负载箱进行调节,从而产生幅度变化的静态磁场,PCB上还置有温度传感器和标准磁场传感器,所有传感器输出信号将通过数据采集卡被计算机采集后进行分析处理。设计这种静态特性测试装置是出于如下考虑:1)采用较小量程的直流电流源(0~20A)即可产生满足巨磁电阻传感器线性范围的静态磁场变化,所产生的静态磁场的稳定性和重复性优于大量程直流电流源所产生的磁场。2)便于设计温度、振动等误差干扰源影响的试验,能够全面测试巨磁电阻传感器的各项静态性能指标。采用静态特性测试装置得到的巨磁电阻传感器静态特性结果如图4所示。测试正/负向磁场下的传感器静态特性,是因为直流输电过程中存在双极性输电的情况。从图中的测试结果可以得到如下结论:1)正/负向磁场下传感器的线性度指标并不理想,因此应考虑非线性误差的补偿问题,其解决方法将在后文讨论。2)传感器正/负向磁场下的静态特性存在微小差别。其原因可能是巨磁电阻传感器桥式结构中各桥臂电阻不完全对称,这也决定了巨磁电阻传感器在实际应用时必然存在互换性较差的不足。传感器的温漂和时漂测试结果分别如图5(a)和图5(b)所示。由于磁场的变化正比于电流的变化,因此,图5(a),(b)均可反映出传感器特性随磁场变化的实质特性。在温漂特性中,温度变化对饱和区的输出影响较大,而在线性区输出几乎没有变化;时漂特性以负向电流下的特性为例,测时间隔1d之后传感器的特性变化,可以看出,两者几乎重合。温漂和时漂的测试结果表明传感器具有良好的稳定性。3高压侧检测及自诊断功能的实现在全面获取传感器的静态特性后,可设计出如图6所示的巨磁电阻直流电流互感器总体方案。鉴于传感器输出需调理成光信号以实现高、低压间的绝缘,因此该互感器属于有源电子式互感器范畴。图中,在高压侧引入了单片机,其目的是:①提高高压侧电路的智能化水平,方便传感器非线性误差补偿、在线自校准等智能化功能的实现;②为高压侧电路的冗余备份设计以及自诊断功能的实现奠定硬件平台,有助于提高高压侧电路的长期运行稳定性及可靠性水平。互感器运行时可使单片机2休眠,由单片机1完成高压侧电路的所有功能,如果低压侧电路判断出高压侧电路可能存在故障,即唤醒高压侧的单片机2,并对单片机1发出复位指令。对高压侧电路进行测试诊断以排查故障原因,最坏情况是单片机1存在故障,此时将单片机1的工作任务倒换至单片机2以使互感器保持正常工作,从而克服了高压侧电路因单片机1出现故障而导致互感器不能工作的缺陷。冗余备份的设计将有助于提高互感器运行的可靠性水平,带来的问题则是高压侧对电源功率需求的提高。通过对激光供能方法的优化研究,有可能实现高压侧的冗余备份方案。4非线性误差补偿前已述及,巨磁电阻传感器自身的外特性表现出非线性的特点,对互感器电路部分的测试也表明其存在一定程度的非线性,因此2个部分联调的结果表现出明显的非线性特性,如图7所示。由于实验室内电流源量程的限制,实际测试时调整了巨磁电阻传感器和通流导体的距离,实际应用时也可以通过这种方法扩大互感器的量程。可以看出,互感器的非线性问题比较突出,且当导体电流为0时,互感器的输出电压并不为0,因此,需要进行非线性校正,以获取期望的线性关系:y=kx式中:x为电流大小;y为互感器输出电压;k为斜率,可依据国家标准灵活设定。非线性误差补偿的前提条件是互感器测试结果具有良好的重复性,测量结果表明互感器的重复性指标为0.08%,满足非线性误差补偿的要求。常用的非线性误差补偿方法有查表法和曲线拟合法,曲线拟合法适用于输入—输出关系曲线适合某种特定规律曲线的情况,而查表法适用范围相对较宽,核心思想是将非线性曲线分段线性化处理。综合对比2种方法的优缺点,决定采用查表法进行非线性误差补偿,这种方法的实现也是借助于高压侧电路中单片机强大的数据处理能力来实现的,查表法校正前后的效果对比如图8所示。从图中可以看出,采用查表法进行非线性误差补偿前,互感器的实际输出与理想输出间的误差较大,且存在一个较大的直流偏置;而进行非线性误差补偿之后,两者间的误差明显减小。通过计算可得:误差补偿前的线性度指标为1.46%,而采取补偿措施后的线性度指标为0.11%,非线性误差得到了较好的补偿。综合线性度和重复性指标的测量结果,可以得到互感器的准确度指标为:Δ=ε2重复+ε2线性−−−−−−√=0.082+0.112−−−−−−−−−−−√=0.14Δ=ε重复2+ε线性2=0.082+0.112=0.14可见,0.14%的准确度指标达到了设计时0.20%的准确度要求。5采用密闭式组合传感器方案设计,提高了滤波器的工作原理和测量设备在大电流1)全面测试并深入分析了巨磁电阻传感器的各项性能指标,结果表明,巨磁电阻传感器存在一定程度的非线性,且存在互换性较差的不足,但线性区间的温漂