CN109709385B - 基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁控电抗器技术领域，具体涉及一种基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置及方法，包括霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板、光端机一、光端机二和控制器，霍尔传感器HW1安装在晶闸管K1阴极与下绕组尾端之间，霍尔传感器HW2安装在晶闸管K2阴极与上绕组尾端之间，霍尔传感器HW3安装在上绕组首端与二极管D1阳极之间，采样调理板包括调整滤波电路，调整滤波电路输出端经光端机一以及光端机二与控制器连接。本发明的实质性效果是：本发明避免了采用普通电磁式电流互感器CT测量时，由于长期偏磁导致二次侧电流畸变失真的问题，二次回路与一次侧高压隔离实现简单，安装方便，成本低廉，测量精度高。

Description

基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置及方法

技术领域

本发明涉及磁控电抗器技术领域，具体涉及一种基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置及方法。

背景技术

磁控电抗器(magnetically controlled reactors)全称是磁阀式可控电抗器，简称MCR，是一种容量可调的并联电抗器，主要用于高压、超高压电力系统的无功补偿。基于磁控的MSVC相比其他类型的SVC，具有损耗小、谐波小、响应速度快、耐高压、可靠性高、成本低等优点。磁控电抗器由控制部分和电抗器本体组成，如图1所示，为单相磁控电抗器结构示意图，该电抗器由上下两个半芯柱上分别对称地绕有匝数为N/2的绕组；上铁芯的上绕组按一定比例抽出抽头，与下绕组的首端之间接有晶闸管K1，下铁芯的下绕组按一定比例抽出抽头，与上绕组的末端之间接有晶闸管K2，上绕组和下绕组交叉联接后并至电网，二极管D1则横跨在交叉端点用于续流。当晶闸管K1、K2均不导通时，可控电抗器相当于空载变压器，容量很小；若在电源电压的正负半周内轮流触发导通K1、K2，则可在绕组回路中产生一定大小的直流偏磁电流，其在两并联绕组中自成回路，不流向外部电路。该控制电流所产生的直流磁通使工作铁芯柱饱和，可控电抗器等值容量增大。调节晶闸管触发延迟角的大小可以改变铁芯磁饱和度，从而达到控制电抗器容量的目的。

可见，控制流过晶闸管的电流大小为控制磁控电抗器输出容量大小的关键，因此准确测量励磁电流有助于深入研究磁控电抗器特性，进而提高电抗器的稳定性，可以在线评估磁控电抗器的运行状态和实现过励磁保护。而流过单个晶闸管的电流为半波直流电，普通电磁式电流互感器CT主要用于交流电，直流电会导致CT直流偏磁，引起CT饱和，致使二次电流畸变，因此普通CT不适合用于测量半波直流电。已用于工业现场的直流电流测量装置有：分流器、直流互感器、霍尔传感器和直流比较仪，分流器需串接在被测回路中，检测调理电路与主回路直接相接触，增加了高低压隔离的难度；直流互感器体积大、价格高，不利于整个检测系统的低成本化与小型化；而直流比较仪虽然精度很高，但结构复杂，易受现场恶劣环境影响；相比较霍尔互感器不直接与主电路接触，且体积小巧，价格低，产业成熟，目前霍尔互感器线性度≤±0.1％，满足工业应用。

中国专利CN201420738387.6，公开日2015年3月25日，公开了一种用于磁控电抗器励磁电流检测电路，包括串联于磁控电抗器的直流励磁回路中的分流器、电压采集电路、伏频转换电路、光纤传输电路、频伏转换电路，通过电压采集电路将励磁电流采集转化为一定幅值的电压信号，然后通过伏频转换电路转换为频率信号，频率信号通过光纤传输电路实现了信号的光传输，再通过频伏转换电路将频率信号转化为双极性的电压信号，最后得到的电压信号即为经过转换处理后的磁控电抗器励磁电流信号。其用于检测和监控磁控电抗器的励磁电流，通过电信号-光信号-电信号的转换，从而实现了检测电路与高压电网的电气隔离，但其是基于分流器的直流电流检测方法，二次检测回路直接与一次回路相接触。

中国专利CN201310649206.2，公开日2013年12月5日，公开了一种基于霍尔电流传感器的航空交流发电机励磁电流检测电路，包括霍尔电流传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和放大器，整励磁回路的流滤波电路的正极输出端穿过霍尔电流传感器的磁芯，霍尔电流传感器的输出端与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与放大器的正极信号输入端连接，放大器的负极信号输入端分别与第二电阻的第一端和第三电阻的第一端连接，第三电阻的第二端接地，第二电阻的第二端与放大器的输出端连接后作为航空交流发电机励磁电流检测电路的输出端。其采用霍尔电流传感器检测励磁回路的电流，能够代替复杂的模拟检测电路，但其应用于航空发电机的励磁电流且未涉及检测计算方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前磁控电抗器励磁电流监测装置隔离性差、体积大的技术问题。提出了一种隔离性好体积小的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，用于磁控电抗器，所述磁控电抗器包括上铁芯、下铁芯、晶闸管K1、晶闸管K2和二极管D1，上铁芯与下铁芯同心相对布置，上铁芯上绕有上绕组，下铁芯上绕有下绕组，上绕组的首端与二极管D1阳极以及下绕组的首端连接，上绕组的尾端与二极管D1阴极以及下绕组的尾端连接，上绕组以及下绕组相同有相同比例的抽头，上绕组的抽头与晶闸管K1阳极连接，晶闸管K1的阴极与下绕组尾端连接，下绕组的抽头与晶闸管K2阳极连接，晶闸管K2阴极与上绕组尾端连接，包括霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板、光端机一、光端机二和控制器，所述霍尔传感器HW1安装在晶闸管K1阴极与下绕组尾端之间，检测晶闸管K1阴极流向下绕组尾端的电流，所述霍尔传感器HW2安装在晶闸管K2阴极与上绕组尾端之间，检测晶闸管K2阴极流向上绕组尾端的电流，所述霍尔传感器HW3安装在上绕组首端与二极管D1阳极之间，检测上绕组首端流向二极管D1阳极的电流，晶闸管K1控制端以及晶闸管K2的控制端均与控制器连接，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3供电端均与采样调理板连接，采样调理板包括调整滤波电路，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3的输出端与所述调整滤波电路输入端连接，调整滤波电路输出端与光端机一的输入端连接，光端机一包括光电转换器，所述光电转换器的输出端经光纤与光端机二输入端连接，光端机二包括第二光电转换器，所述第二光电转换器的输出端与控制器连接。磁控电抗器的励磁回路由晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1、上下对称的上绕组、下绕组组成，并将霍尔互感器套接在各半导体器件附件导线上，用于将一侧大电流瞬时值转换为0～100mA二次侧小电流；由于晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1共阴极，因此晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1、霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板、光端机一等电位，极大的降低了霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3的隔离电压要求。霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板、光端机一的供电源经开关电源处取自U1，U1电压为220VAC，经开关电源转换成DC24V给采样调理板、光端机一、光端机二供电，DC+、DC-15V给霍尔互感器供电。

作为优选，所述采样调理板上设置有至少3个调整滤波电路，所述调整滤波电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C16、电容C17、电容C18、二极管TVS6、二极管TVS7、二极管D5、二极管D6和接口J3，接口J3与霍尔传感器HW1或霍尔传感器HW2或霍尔传感器HW3连接，接口J3包括4个引脚，引脚1和引脚2分别为直流电源DC+端和DC-端以及对应的霍尔传感器的供电端连接，引脚3与引脚4分别对应的霍尔传感器的输出端连接，电阻R5第一端与接口J3引脚3以及电容C16第一端连接，电容C16第二端与接口J3引脚4连接，电阻R5第二端与电阻R6第一端、电阻R7第一端、电阻R8第一端以及二极管TVS6阴极连接，二极管TVS6阳极与二极管TVS7阳极连接，二极管TVS7阴极、电阻R6第二端、电阻R7第二端、电阻R10第二端以及电阻R11第一端均与电容C16第二端连接，Middle端与电阻R6第二端连接，电阻R10第一端与直流电源VCC连接，电阻R11第二端接地，电阻R8第二端与电阻R9第一端以及电容C17第一端连接，电阻R9第二端与电容C18第一端、二极管D5阳极以及二极管D6阴极连接，二极管D5阴极与直流电源VCC连接，电容C17第二端以及电容C18第二端均与二极管D6阳极连接。

调整滤波电路的工作方法为：接口J3连接的霍尔互感器输入0～100mA瞬时值电流经电容C16初级滤波，经电阻R5一级负载电阻后到达高精度采样电阻R6、电阻R7，在电阻R6、电阻R7两端开成所需采样电压，此采样电压受二极管TVS6、二极管TVS7保护，采样电压叠加在“Middle”点上，受电阻R10、电阻R11偏置成正电压，再由电阻R8、电容C17、电阻R9、电容C18滤波电路滤波后引至MCU的AD引脚。

作为优选，所述上绕组或下绕组上有供电抽头，所述供电抽头经开关电源处理后为采样调理板供电。

作为优选，所述调整滤波电路输出端与光端机一的输入端通过双绞线连接，所述光端机一的光电转换器为将电信号转换为光信号的光电转换器，所述第二光电转换器的输出端与控制器通过双绞线连接，所述第二光电转换器为将光信号转换为电信号的光电转换器。

作为优选，所述开关电源为带有24V直流电输出端和±15V直流电输出端的开关电源。

基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测方法，适用于如前述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，包括以下步骤：A)初始化控制器的AD采样频率为6.4KHz，ADsum初值为0；B)设置定时中断1为156.25微秒，定时中断2为20毫秒；C)进入中断1时，读取AD采样值，将所得值按位右移4位，而后减中间定值ADmiddle，所得值为ADresult，将ADresult平方后累加到ADsum中；D)进入中断2时，读取ADsum的值并保存在ADsumrecord寄存器中，同时将ADsum清零；E)在主循环中，计算电流有效值I，

本发明的实质性效果是：本发明避免了采用普通电磁式电流互感器CT测量时，由于长期偏磁导致二次侧电流畸变失真的问题，二次回路与一次侧高压隔离实现简单，安装方便，成本低廉，测量精度高。

附图说明

图1为单相磁控电抗器结构示意图。

图2为实施例一磁控电抗器励磁电流监测装置结构示意图。

图3为实施例一调整滤波电路原理图。

图4为磁控电抗器励磁电流监测方法流程框图。

其中：100、采样调理板，200、光端机一，300、光端机二，400、控制器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，如图2所示，为实施例一磁控电抗器励磁电流监测装置结构示意图，本实施例用于磁控电抗器，磁控电抗器包括上铁芯、下铁芯、晶闸管K1、晶闸管K2和二极管D1，上铁芯与下铁芯同心相对布置，上铁芯上绕有上绕组，下铁芯上绕有下绕组，上绕组的首端与二极管D1阳极以及下绕组的首端连接，上绕组的尾端与二极管D1阴极以及下绕组的尾端连接，上绕组以及下绕组相同有相同比例的抽头，上绕组的抽头与晶闸管K1阳极连接，晶闸管K1的阴极与下绕组尾端连接，下绕组的抽头与晶闸管K2阳极连接，晶闸管K2阴极与上绕组尾端连接，包括霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板100、光端机一200、光端机二300和控制器400，霍尔传感器HW1安装在晶闸管K1阴极与下绕组尾端之间，检测晶闸管K1阴极流向下绕组尾端的电流，霍尔传感器HW2安装在晶闸管K2阴极与上绕组尾端之间，检测晶闸管K2阴极流向上绕组尾端的电流，霍尔传感器HW3安装在上绕组首端与二极管D1阳极之间，检测上绕组首端流向二极管D1阳极的电流，晶闸管K1控制端以及晶闸管K2的控制端均与控制器400连接，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3供电端均与采样调理板100连接，采样调理板100包括调整滤波电路，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3的输出端与调整滤波电路输入端连接，调整滤波电路输出端与光端机一200的输入端连接，光端机一200包括光电转换器，光电转换器的输出端经光纤与光端机二300输入端连接，光端机二300包括第二光电转换器，第二光电转换器的输出端与控制器400连接。磁控电抗器的励磁回路由晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1、上下对称的上绕组、下绕组组成，并将霍尔互感器套接在各半导体器件附件导线上，用于将一侧大电流瞬时值转换为0～100mA二次侧小电流；由于晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1共阴极，因此晶闸管K1、晶闸管K2、二极管D1、霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板100、光端机一200等电位，极大的降低了霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3的隔离电压要求。霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板100、光端机一200的供电源经开关电源处取自U1，U1电压为220VAC，经开关电源转换成DC24V给采样调理板100、光端机一200、光端机二300供电，DC+、DC-15V给霍尔互感器供电。

如图3所示，为实施例一调整滤波电路原理图，采样调理板100上设置有至少3个调整滤波电路，调整滤波电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C16、电容C17、电容C18、二极管TVS6、二极管TVS7、二极管D5、二极管D6和接口J3，接口J3与霍尔传感器HW1或霍尔传感器HW2或霍尔传感器HW3连接，接口J3包括4个引脚，引脚1和引脚2分别为直流电源DC+端和DC-端以及对应的霍尔传感器的供电端连接，引脚3与引脚4分别对应的霍尔传感器的输出端连接，电阻R5第一端与接口J3引脚3以及电容C16第一端连接，电容C16第二端与接口J3引脚4连接，电阻R5第二端与电阻R6第一端、电阻R7第一端、电阻R8第一端以及二极管TVS6阴极连接，二极管TVS6阳极与二极管TVS7阳极连接，二极管TVS7阴极、电阻R6第二端、电阻R7第二端、电阻R10第二端以及电阻R11第一端均与电容C16第二端连接，Middle端与电阻R6第二端连接，电阻R10第一端与直流电源VCC连接，电阻R11第二端接地，电阻R8第二端与电阻R9第一端以及电容C17第一端连接，电阻R9第二端与电容C18第一端、二极管D5阳极以及二极管D6阴极连接，二极管D5阴极与直流电源VCC连接，电容C17第二端以及电容C18第二端均与二极管D6阳极连接。

调整滤波电路的工作方法为：接口J3连接的霍尔互感器输入0～100mA瞬时值电流经电容C16初级滤波，经电阻R5一级负载电阻后到达高精度采样电阻R6、电阻R7，在电阻R6、电阻R7两端开成所需采样电压，此采样电压受二极管TVS6、二极管TVS7保护，采样电压叠加在“Middle”点上，受电阻R10、电阻R11偏置成正电压，再由电阻R8、电容C17、电阻R9、电容C18滤波电路滤波后引至MCU的AD引脚。

上绕组或下绕组上有供电抽头，供电抽头经开关电源处理后为采样调理板100供电。

调整滤波电路输出端与光端机一200的输入端通过双绞线连接，光端机一200的光电转换器为将电信号转换为光信号的光电转换器，第二光电转换器的输出端与控制器400通过双绞线连接，第二光电转换器为将光信号转换为电信号的光电转换器。

开关电源为带有24V直流电输出端和±15V直流电输出端的开关电源。

基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测方法，如图4所示，为磁控电抗器励磁电流监测方法流程框图，适用于如前述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，包括以下步骤：A)初始化控制器400的AD采样频率为6.4KHz，ADsum初值为0；B)设置定时中断1为156.25微秒，定时中断2为20毫秒；C)进入中断1时，读取AD采样值，将所得值按位右移4位，而后减中间定值ADmiddle，所得值为ADresult，将ADresult平方后累加到ADsum中；D)进入中断2时，读取ADsum的值并保存在ADsumrecord寄存器中，同时将ADsum清零；E)在主循环中，计算电流有效值I，

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，用于磁控电抗器，所述磁控电抗器包括上铁芯、下铁芯、晶闸管K1、晶闸管K2和二极管D1，上铁芯与下铁芯同心相对布置，上铁芯上绕有上绕组，下铁芯上绕有下绕组，上绕组的首端与二极管D1阳极以及下绕组的首端连接，上绕组的尾端与二极管D1阴极以及下绕组的尾端连接，上绕组以及下绕组相同有相同比例的抽头，上绕组的抽头与晶闸管K1阳极连接，晶闸管K1的阴极与下绕组尾端连接，下绕组的抽头与晶闸管K2阳极连接，晶闸管K2阴极与上绕组尾端连接，上绕组以及下绕组的中部均有用于串联入电网的抽头，其特征在于，

包括霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2、霍尔传感器HW3、采样调理板、光端机一、光端机二和控制器，所述霍尔传感器HW1安装在晶闸管K1阴极与下绕组尾端之间，检测晶闸管K1阴极流向下绕组尾端的电流，所述霍尔传感器HW2安装在晶闸管K2阴极与上绕组尾端之间，检测晶闸管K2阴极流向上绕组尾端的电流，所述霍尔传感器HW3安装在上绕组首端与二极管D1阳极之间，检测上绕组首端流向二极管D1阳极的电流，晶闸管K1控制端以及晶闸管K2的控制端均与控制器连接，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3供电端均与采样调理板连接，采样调理板包括调整滤波电路，霍尔传感器HW1、霍尔传感器HW2以及霍尔传感器HW3的输出端与所述调整滤波电路输入端连接，调整滤波电路输出端与光端机一的输入端连接，光端机一包括光电转换器，所述光电转换器的输出端经光纤与光端机二输入端连接，光端机二包括第二光电转换器，所述第二光电转换器的输出端与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述采样调理板上设置有至少3个调整滤波电路，所述调整滤波电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C16、电容C17、电容C18、二极管TVS6、二极管TVS7、二极管D5、二极管D6和接口J3，接口J3与霍尔传感器HW1或霍尔传感器HW2或霍尔传感器HW3连接，接口J3包括4个引脚，引脚1和引脚2分别为直流电源DC+端和DC-端以及对应的霍尔传感器的供电端连接，引脚3与引脚4分别对应的霍尔传感器的输出端连接，电阻R5第一端与接口J3引脚3以及电容C16第一端连接，电容C16第二端与接口J3引脚4连接，电阻R5第二端与电阻R6第一端、电阻R7第一端、电阻R8第一端以及二极管TVS6阴极连接，二极管TVS6阳极与二极管TVS7阳极连接，二极管TVS7阴极、电阻R6第二端、电阻R7第二端、电阻R10第二端以及电阻R11第一端均与电容C16第二端连接，Middle端与电阻R6第二端连接，电阻R10第一端与直流电源VCC连接，电阻R11第二端接地，电阻R8第二端与电阻R9第一端以及电容C17第一端连接，电阻R9第二端与电容C18第一端、二极管D5阳极以及二极管D6阴极连接，二极管D5阴极与直流电源VCC连接，电容C17第二端以及电容C18第二端均与二极管D6阳极连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述上绕组或下绕组上有供电抽头，所述供电抽头经开关电源处理后为采样调理板供电。

4.根据权利要求1或2所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述调整滤波电路输出端与光端机一的输入端通过双绞线连接，所述光端机一的光电转换器为将电信号转换为光信号的光电转换器，所述第二光电转换器的输出端与控制器通过双绞线连接，所述第二光电转换器为将光信号转换为电信号的光电转换器。

5.根据权利要求3所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述调整滤波电路输出端与光端机一的输入端通过双绞线连接，所述光端机一的光电转换器为将电信号转换为光信号的光电转换器，所述第二光电转换器的输出端与控制器通过双绞线连接，所述第二光电转换器为将光信号转换为电信号的光电转换器。

6.根据权利要求3所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述开关电源为带有24V直流电输出端和±15V直流电输出端的开关电源。

7.根据权利要求5所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，所述开关电源为带有24V直流电输出端和±15V直流电输出端的开关电源。

8.基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测方法，适用于如权利要求1至7任一项所述的基于霍尔互感器的磁控电抗器励磁电流监测装置，其特征在于，

包括以下步骤：

A)初始化控制器的AD采样频率为6.4KHz，ADsum初值为0；

B)设置定时中断1为156.25微秒，定时中断2为20毫秒；

C)进入中断1时，读取AD采样值，将所得值按位右移4位，而后减中间定值ADmiddle，所得值为ADresult，将ADresult平方后累加到ADsum中；

D)进入中断2时，读取ADsum的值并保存在ADsumrecord寄存器中，同时将ADsum清零；

E)在主循环中，计算电流有效值I，

Images