CN113866478A - 杂散电流测量方法及其装置、设备和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种杂散电流测量方法及其装置、设备和系统。所述杂散电流测量方法，包括：获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。以达到准确测量待测载流体上的杂散电流的目的。

Description

杂散电流测量方法及其装置、设备和系统

技术领域

本申请涉及电力系统中杂散电流的测量技术领域，特别是涉及一种杂散电流测量方法及其装置、设备和系统。

背景技术

随着直流输电、新能源系统以及地铁牵引系统的大范围使用，电力系统内接地运行的电力变压器中性点出现了杂散电流分量。一旦中性点出现直流电流，变压器就会处于直流偏磁的不正常工作状态，即，变压器的铁心因为直流电流而出现磁密工作点的偏置，从而导致变压器出现过热、振动、噪声增加、损耗增大等异常情况。因此中性点杂散电流测量是进行变压器直流偏磁风险预警的重要手段。

一般而言，电力系统的变压器中性点是通过扁钢等金属导体进行接地的，在运行情况下不允许破坏扁钢的完整性。所以，现有技术中都是使用非接触开口式的磁电感应线圈测量扁钢通过的杂散电流，但现场应用的情况表明，杂散电流的测量结果与真实的结果存在较大偏差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够准确测量杂散电流的杂散电流测量方法及其装置、设备和系统。

一种杂散电流测量方法，包括：

获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；

对通过待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个工频周期内的电流信号的采样数据集，电流信号包括交流信号和杂散电流信号，采样数据集包括预设数量的电流采样值；

根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

在其中一个实施例中，还包括：

对另一工频周期内的电流信号重复执行采样处理，以获取另一工频周期内的杂散电流测量值。

在其中一个实施例中，根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值，包括：

对采样数据集中预设数量的电流采样值求均值，并将均值作为当前工频周期内的杂散电流测量值。

在其中一个实施例中，还包括：

获取当前的时钟信息；

输出带有时钟信息的杂散电流测量值至上位机。

一种杂散电流测量装置，包括：

周期获取模块，用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；

电流采样模块，用于对通过待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个工频周期内的电流信号的采样数据集，电流信号包括交流信号和杂散电流信号，采样数据集包括预设数量的电流采样值；

电流分析模块，用于根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

一种杂散电流测试设备，包括：

隧道磁电阻线圈，用于缠绕于待测载流体上，以获取通过待测载流体上的所有电流信号；

罗氏线圈，用于缠绕于待测载流体上，获取通过待测载流体上的交流信号；

信号调理电路，分别与隧道磁电阻线圈和罗氏线圈连接，用于检测交流信号的工频周期，并对隧道磁电阻线圈获取到的所有电流信号进行采样；

控制器，与信号调理电路连接，用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；获取一个工频周期内通过待测载流体上的所有电流信号的采样数据集，采样数据集包括预设数量的电流采样值；根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

在其中一个实施例中，隧道磁电阻线圈绕组的横截面积与线圈绕组匝数的乘积正比于隧道磁电阻线圈的长度。

在其中一个实施例中，隧道磁电阻线圈的长度为1米。

在其中一个实施例中，隧道磁电阻线圈绕组的横截面积为35平方毫米，线圈绕组匝数为500。

一种杂散电流测试系统，包括：

如上述的杂散电流测试设备，杂散电流测试设备还包括通信器，通信器用于分别发送各工频周期内的杂散电流测量值；

上位机，与杂散电流测试设备的通信器通信连接，用于接收各工频周期内的杂散电流测量值，并对接收到的多个杂散电流测量值进行评估。

上述杂散电流测量方法，包括获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。其中，由于变压器中性点的所有电流信号包括了工频电流信号分量、谐波电流信号分量和杂散电流信号分量，因此，本发明通过在工频周期内对所有电流信号进行采样，并将采样得到的采样数据在工频周期内进行了有效地处理，能够将杂散电流信号中的工频电流信号和谐波电流信号滤除，从而达到准确获取杂散电流测量值的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中杂散电流测试方法的流程示意图之一；

图2为一个实施例中杂散电流测试方法的流程示意图之二；

图3为一个实施例中杂散电流测试方法的流程示意图之三；

图4为一个实施例中杂散电流测试方法的流程示意图之四；

图5为一个实施例中杂散电流测试装置的结构示意图；

图6为一个实施例中杂散电流测试设备的结构示意图；

图7为一个实施例中隧道磁电阻线圈结构示意图；

图8为一个实施例中杂散电流测试系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

在其中一个实施例中，如图1所示，提供了一种杂散电流测量方法流程示意图，杂散电流测量方法包括步骤S100～S300。

步骤S100，获取通过待测载流体上交流信号的工频周期。

步骤S200，对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值。

步骤S300，根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

目前电力系统内测量变压器中性点杂散电流的方法局限性较大，主要原因在于现有传感器的灵活性不足以完全满足现场的测量需求；测量数据的时间分辨率不足；工频电流和谐波电流共存导致测量精度不高。因此，通过对工频周期内测量的数据进行处理，以实现对工频电流信号和谐波电流信号的滤波，避免了工频电流信号和谐波电流信号对测量结果的干扰，极大地提高了测量数据的分辨率和精度。

在其中一个实施例中，继续参看图1，杂散电流测量方法还包括步骤S400。

步骤S400，对另一工频周期内的所有电流信号重复执行采样处理，以获取另一工频周期内的杂散电流测量值。

其中，该步骤可以通过重复步骤S200和步骤S300，以获取多个工频周期内的杂散电流测量值，而获取多个杂散电流测量值是可以达到提高杂散电流测量准确性效果。

在其中一个实施例中，如图2所示，提供了一种杂散电流测量方法流程示意图，步骤S300包括步骤S310。

步骤S310，对采样数据集中预设数量的电流采样值求均值，并将均值作为当前工频周期内的杂散电流测量值。

其中，杂散电流信号属于直流，或低频性质的电流信号，故杂散电流信号的采样值在工频周期内的均值，可作为杂散电流关于工频采样周期的一个采样点，并且由于工频电流信号和谐波电流信号在周期内的中心对称的特性，可以通过求均值的方法将其滤除，实现降低干扰的效果。

本实施例在测量数据的数据处理方面，摒弃了传统的傅里叶分析算法，直接采用工频周期内高速采样数据求和的方法，以实现工频和谐波电流的滤波，每秒钟可以输出约50个杂散电流的测量值，有效提高了杂散电流监测数据的灵敏度。

在其中一个实施例中，如图3所示，提供了一种杂散电流测量方法流程示意图，杂散电流测量方法还包括步骤S500和步骤S600。

步骤S500，获取当前的时钟信息。

其中，获取当前的时钟信号，可以是通过全球定位系统授时模块发送的时钟信息，也可以是北斗系统授时模块发送的时钟信息。可以理解的是，获取时钟信息不仅局限于上述提到的，本实施例的方法中只要能获取精准的时钟信息即可。

步骤S600，输出带有时钟信息的杂散电流测量值至上位机。

由于在正常情况下，电力系统的接地运行电力变压器不会出现直流性质的杂散电流，但一旦出现，系统中的设备运行就会不正常。因此，通过获取带有时钟信息的杂散电流测量值，管理人员可以对当前时刻下的杂散电流测量值进行分析，并做好后续的预警和检修工作。

在其中一个实施例中。如图4所示，提供了一种杂散电流测量方法流程示意图。杂散电流测量方法包括步骤S710～S760。

步骤S710，获取通过待测载流体上交流信号的工频周期。

步骤S720，对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值。

步骤S730，对采样数据集中预设数量的电流采样值求均值，并将均值作为当前工频周期内的杂散电流测量值。

步骤S740，获取当前的时钟信息。

步骤S750，输出带有时钟信息的杂散电流测量值至上位机。

步骤S760，对另一工频周期内的所有电流信号重复执行采样处理，以获取另一工频周期内的杂散电流测量值。

本实施例中通过对工频电流进行准确的频率测量，以实现准确的时钟周期控制，并摒弃了传统的傅里叶分析算法，直接采用工频周期内采样数据求和的方法实现工频和谐波电流的滤波，每秒钟可以输出数量值与工频频率数量值相等的杂散电流测量值，有效提高了杂散电流监测数据的灵敏度，还通过给杂散电流测量值标记上当前时刻，有利于对多个带有时间信息的杂散电流测量值进行进一步的评估。

该理解的是，虽然图1-图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在其中一个实施例中，如图5所示，提供一种杂散电流测量装置结构示意图，杂散电流测量装置100包括：周期获取模块110，电流采样模块120和电流分析模块130。周期获取模块110用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；电流采样模块120用于对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；电流分析模块130用于根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

关于杂散电流测量装置的具体限定可以参见上文中对于杂散电流测量方法的限定，在此不再赘述。上述杂散电流测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本申请实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

在其中一个实施例中，如图6所示，提供一种杂散电流测试设备结构示意图，杂散电流测试设备200包括隧道磁电阻线圈210、罗氏线圈220、信号调理电路230和控制器240。

隧道磁电阻线圈210用于缠绕于待测载流体上，以获取通过待测载流体上的杂散电流信号。

现有的测量技术实现中性点杂散电流的测量有多重方法，例如采用霍尔(Hall)传感器，各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance，AMR)传感器、巨磁电阻(GiantMagnetoresistance，GMR)传感器和隧道磁电阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)传感器。本实施例中采用柔性隧道磁电阻线圈具有轻便、尺寸大、精度高、便于安装等突出优点，相比于传统钳表式的霍尔传感器，可以有效地在现场开展不同尺寸在流体的杂散电流测量。具体原因可以参考以下分析。

上述各种技术的参数对比如下表1所示。

表1 各传感器性能比较表

以霍尔传感器为例，不论是开口式还是闭口式结构传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场以提高输出灵敏度，传感器的体积和重量会有所增加。另外，霍尔传感器存在功耗大、线性度差和对温度敏感的缺点。

各向异性磁电阻传感器虽然灵敏度比霍尔传感器高很多，但是其线性范围窄，直接限制了传感器的量程。同时，各向异性磁电阻传感器需要设置两个独立的线圈对其进行预设或者复位操作，制造工艺复杂，导致了传感器的尺寸和功耗难以控制。

与各向异性磁电阻传感器类似，巨磁电阻传感器较之霍尔传感器有更高的灵敏度，但其线性范围偏低，传感器的量程受限。

隧道磁电阻传感器利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，对比各向异性磁电阻传感器和巨磁电阻传感器具有更大的电阻变化率。隧道磁电阻传感器相对于霍尔元件在温度稳定性、灵敏度、功耗、线性度方面具有突出优势，且不需要额外使用聚磁环结构，可有效减少传感器的体积和功耗。相对于各向异性磁电阻传感器和巨磁电阻传感器，隧道磁电阻传感器具有更好的温度稳定性，灵敏度、线性范围和功耗等技术指标更优，且不需要额外的线圈结构。

罗氏线圈220，用于缠绕于待测载流体上，获取通过待测载流体上的交流信号。

其中，罗氏线圈220是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。罗氏线圈220适用于较宽频率范围内的交流电流的测量，对导体、尺寸都无特殊要求，具有较快的瞬间反应能力，广泛应用在传统的电流测量装置如电流互感器无法使用的场合，用于电流测量，尤其是高频、大电流测量。

信号调理电路230，分别与隧道磁电阻线圈210和罗氏线圈220连接，用于检测所述交流信号的工频周期，并对隧道磁电阻线圈获取到的所有电流信号进行采样。

其中，信号调理电路230使用锁相环技术，以10k/s的采样率测量载流体上通过的电流，取得交流信号的基波电流频率f，并计算出工频周期T，其中，T＝1/f。并且信号调理电路230还以5×10⁵次每秒的采样率采样隧道磁电阻线圈210获取到的预设数量的电流信号值。其中，预设数量n为n＝5×10⁵×T。

控制器240，与信号调理电路连接，用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；获取一个工频周期内通过待测载流体上的杂散电流信号的采样数据集，采样数据集包括预设数量的杂散电流采样值；根据采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

控制器240通过信号调理电路230获取到的工频周期T和预设数量的n个电流信号值，处理获准确的取杂散电流测量值。需要说明的是，本实施例中的控制器240能够实现上述杂散电流的测量方法，具体请参考上述对杂散电流的测量方法的限定，在此不再赘述。

针对现有变压器中性点杂散电流技术方法存在的不足，本实施例采用隧道磁电阻线圈210对变压器中性点电流进行宽频测量，其中，隧道磁电阻线圈210测量带宽上限为200kHz，采样率取为5×10⁵次每秒。同时，工频电流信号的周期具有极轻微的波动性也会影响结果的准确度，为了提高现场的适用性和测量准确度，所以额外引入罗氏线圈220对工频电流进行准确的频率测量，实现准确的时钟周期控制。最后通过信号调理电路230和控制器240的信号处理，获得准确的杂散电流测量结果。

在其中一个实施例中，如图7所示，提供了一种隧道磁电阻线圈结构示意图，隧道磁电阻线圈绕组的横截面积S与线圈绕组匝数Z的乘积正比于隧道磁电阻线圈的长度L。

其中，图中A和B分别表示隧道磁电阻线圈的两个接头。在实际实用过程中，可以规定A接头在使用者的左侧，而B接头在使用者的右侧时，由隧道磁电阻线圈感应到并输出的电流为正向电流；反之，规定A接头在使用者的右侧，而B接头在使用者的左侧时，由隧道磁电阻线圈感应到并输出的电流为负向电流。使用者可以根据实际情况获取正向电流或者负向电流，其中，正向电流值与负向电流值的大小是一致的。

在其中一个实施例中，隧道磁电阻线圈的长度为1米。

其中，隧道磁电阻线圈的长度可以根据待测的载流体大小合理设置，本实施例中长度为1米的隧道磁电阻线圈足够满足于实际各应用场景。

在其中一个实施例中，隧道磁电阻线圈绕组的横截面积为35平方毫米，线圈绕组匝数为500。

由于隧道磁电阻线圈绕组的横截面积S与线圈绕组匝数Z的乘积正比于隧道磁电阻线圈的长度L，所以，即使隧道磁电阻线圈的长度L为确定值，隧道磁电阻线圈绕组的横截面积S与线圈绕组匝数Z仍然有多中配合方式。本实施例中设置隧道磁电阻线圈绕组的横截面积为35平方毫米，线圈绕组匝数为500，满足现有实际应用中对待测载流体的测量要求。

在其中一个实施例中，如图8所示，提供一种杂散电流测试系统结构示意图，杂散电流测试系统包括如上述的杂散电流测试设备200和上位机300。

其中，杂散电流测试设备200还包括通信器，为使得示意图简洁，图中并未示通信器结构。通信器用于分别发送各工频周期内的杂散电流测量值。上位机300与所述杂散电流测试设备的通信器通信连接，上位机300用于接收各所述工频周期内的杂散电流测量值，并对接收到的多个所述杂散电流测量值进行评估。

其中，上位机在获取到多个杂散电流测量值后，对多个杂散电流测量值进行评估。例如，当其中一个获取到的电流值大于预设的阈值时，立即发出警告信号，以通知管理人员进行检修。再例如，当获取到多个带有时间信息的杂散电流测量值，可以对多个带有时间信息的杂散电流测量值进行绘制时间-杂散电流测量值图表，以监测或者分析待测载流体的当前状态，还可以根据监测的待测载流体的状体建立评估理论，以预测或者评估待测载流体的运行状态以及产生预警信号。可以理解的是，本实施例中的对获取的杂散电流测量值进行评估并不仅限于上述提到的举例，本实施例中杂散电流测试系统中的上位机只要可以根据杂散电流测试设备传送的杂散电流值进行评估即可。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种杂散电流测量方法，其特征在于，包括：

获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；

对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；

根据所述采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

对另一所述工频周期内的所述电流信号重复执行所述采样处理，以获取另一工频周期内的所述杂散电流测量值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值，包括：

对所述采样数据集中预设数量的电流采样值求均值，并将所述均值作为当前工频周期内的杂散电流测量值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

获取当前的时钟信息；

输出带有所述时钟信息的所述杂散电流测量值至上位机。

5.一种杂散电流测量装置，其特征在于，包括：

周期获取模块，用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；

电流采样模块，用于对通过所述待测载流体上的电流信号进行采样处理，以获取一个所述工频周期内的所述电流信号的采样数据集，所述电流信号包括所述交流信号和杂散电流信号，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；

电流分析模块，用于根据所述采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

6.一种杂散电流测试设备，其特征在于，包括：

隧道磁电阻线圈，用于缠绕于待测载流体上，以获取通过待测载流体上的所有电流信号；

罗氏线圈，用于缠绕于待测载流体上，获取通过待测载流体上的交流信号；

信号调理电路，分别与所述隧道磁电阻线圈和所述罗氏线圈连接，用于检测所述交流信号的工频周期，并对隧道磁电阻线圈获取到的所有电流信号进行采样；

控制器，与所述信号调理电路连接，用于获取通过待测载流体上交流信号的工频周期；获取一个所述工频周期内通过待测载流体上的所有电流信号的采样数据集，所述采样数据集包括预设数量的电流采样值；根据所述采样数据集获取当前工频周期内的杂散电流测量值。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述隧道磁电阻线圈绕组的横截面积与线圈绕组匝数的乘积正比于所述隧道磁电阻线圈的长度。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述隧道磁电阻线圈的长度为1米。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述隧道磁电阻线圈绕组的横截面积为35平方毫米，所述线圈绕组匝数为500。

10.一种杂散电流测试系统，其特征在于，包括：

如权利要求6至9任一项所述的杂散电流测试设备，所述杂散电流测试设备还包括通信器，所述通信器用于分别发送各所述工频周期内的杂散电流测量值；

上位机，与所述杂散电流测试设备的通信器通信连接，用于接收各所述工频周期内的杂散电流测量值，并对接收到的多个所述杂散电流测量值进行评估。

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