CN115453188A - 一种基于分流器和tmr传感器的直流电子式电流互感器 - Google Patents

一种基于分流器和tmr传感器的直流电子式电流互感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，利用分流器和TMR传感器两种不同原理的传感器测量一次大电流，TMR传感器和高压端电路采用激光供能以简化绝缘结构，对两种原理的传感器的测量值进行内部切换，利用TMR传感器灵敏度高、分流器不饱和的特点，发挥各自优势，提高了全量程范围的测量准确度，并解决了一次传感器绝缘结构复杂、难度大的问题。

Description

一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器
技术领域
本发明属于电流互感器技术领域，具体是涉及一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器。
背景技术
目前我国直流工程中使用的高压直流电流互感器主要有：分流器传感的直流电子式(或称“光电式”)电流互感器、全光纤电流互感器、基于磁通门的零磁通电流互感器，其中基于磁通门的零磁通电流互感器由于高电压等级下绝缘结构难度、成本大幅增加，因此一般只用在150kV及以下电压等级的直流中性线区域。随着特高压直流输电、柔性直流输电技术的推广应用，对于换流站内测量电流的高压直流电流互感器的测量准确度、测量范围等关键指标提出了更高的要求，比如对于直流中性线区域的测点，在直流双极对称运行方式下电流接近于0，在单极运行方式下约为几kA，在故障情况下可能达到几十kA，如何在全量程范围内都达到较高的准确度是当前的一个难题。
分流器式直流电子式电流互感器的分流器串联于一次电流回路中，分流器作为传感器仅能提供一个变比的输出，满足大电流测量和过载能力的情况下，在小电流下的测量准确度有限，通常采用多路不同量程AD采样和切换的方法来提高采样精度，比如申请号201110152450.9的发明专利提供了多级分段式高精度数据采样方法，但此种方法仅能改善后端采样环节的低端精度，无法解决传感器源头的低端传变误差、信噪比问题；全光纤电流互感器基于法拉第磁光效应，户外使用时存在受温度、振动影响的问题，准确度等级一般为0.5级，且由于成本较高，传感器源头无法配置不同变比的光纤传感环，也存在低端误差大的情况；基于磁通门的零磁通电流互感器，通过闭环补偿电路使铁芯工作于磁通为零的状态，具有高的测量准确度，但体积大、价格高、需外界电源支持，且由于闭环补偿电路功耗大，无法采用类似直流电子式电流互感器的激光供能等高压端等电位取能方式，导致零磁通电流互感器的绝缘结构复杂，随着电压等级提高，体积、制造难度、价格进一步大幅增大，因此目前仅用于150kV及以下电压等级区域，无法用于更高电压等级。
从传感原理来看，测量大电流的方法主要有分流器、磁光效应、磁通门、霍尔效应、磁阻传感器(包括AMR、GMR、TMR)，不同原理各有优缺点。但是现有技术采用单一原理测量电流，难以满足全量程高准确度、绝缘结构简单的高压直流输电用直流电流测量需求。
发明内容
本申请的目的是，提供一种用于直流换流站电流测量的直流电子式电流互感器，以满足在全量程范围具有高准确度，且绝缘结构简单。
为了实现上述目的，本申请采用如下技术解决方案：
一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，包括一个分流器、至少一个TMR传感器、至少一个远端模块、一个光纤绝缘子和至少一个合并单元；所述TMR传感器、远端模块和合并单元的数量相等，一一对应；
所述分流器和所述TMR传感器的输出接入对应的远端模块；所述远端模块，将所接收的分流器和TMR传感器的电信号统一转换为光纤数字量经由光纤绝缘子输出给相应的合并单元；
所述合并单元对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，合并单元还提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块，经远端模块转换后给TMR传感器、远端模块内部电路提供工作电源。
优选地，所述远端模块包括高压处理电路、电平转换电路和光电变换电路；
所述高压处理电路接收分流器和TMR传感器的输出，将分流器和TMR传感器的电信号分别经两路AD采样转换为与一次电流值成正比的数字量并通过光纤发送；
所述光电变换电路接收来自合并单元的供能激光，将光信号转变为电信号输出到电平转换电路；
所述电平转换电路将供能激光的电信号转换为合适电平的电源电压输出到高压处理电路和TMR传感器，为高压处理电路、TMR传感器提供工作电源。
优选地，所述合并单元包括低压处理电路、驱动电路和激光器；
所述低压处理电路对远端模块发送的光纤数字量进行处理，对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值；
所述驱动电路和激光器为电源部分，驱动电路驱动激光器发光，提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块。
优选地，所述对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，包括：
当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出采用分流器的测量值，否则输出TMR传感器的测量值。
优选地，所述对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，包括：
当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出切换为分流器的测量值；
当分流器的采样值小于第二电流阈值时，合并单元输出切换为TMR传感器的测量值；
当分流器的采样值介于第一电流阈值和第二电流阈值之间时，合并单元输出不发生切换；
所述第二电流阈值小于第一电流阈值。
优选地，所述分流器串联于一次电流回路中，TMR传感器为圆环结构，一次通流导体从TMR传感器中心穿过，分流器和TMR传感器相互独立，且间隔开一定距离。
优选地，TMR传感器采用无反馈的开环式传感器。
优选地，所述TMR传感器采用环状开口聚磁磁芯加TMR磁电阻器件的方式，或者是采用无磁芯、多个TMR沿圆环圆周均匀分布、信号叠加的阵列方式。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：提出一种可用于直流换流站中测量稳态、暂态电流的直流电子式电流互感器，通过两种不同原理的一次传感器的组合、采样值切换的方式，提高了全量程范围的测量准确度，解决了一次传感器绝缘结构复杂、难度大的问题。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器的构成示意图。
图2是本申请实施例提供的另一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器的构成示意图。
图3是本申请实施例提供的信号处理环节示意图。
图4是本申请实施例提供的再一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器的构成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
由于现有技术采用单一原理测量电流，难以满足全量程高准确度、绝缘结构简单的高压直流输电用直流电流测量需求。
由于分流器的测量范围大、不饱和；而磁电阻，尤其是TMR(Tunnel MagnetoResistance，隧道磁电阻)，在灵敏度、线性度、频带范围、功耗、体积、价格等方面具有较大优势，可用于小电流的精确传变。因此，本申请提出了一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，包括一个分流器、至少一个TMR传感器、至少一个远端模块、一个光纤绝缘子和至少一个合并单元；所述TMR传感器、远端模块和合并单元的数量相等，一一对应；所述分流器和所述TMR传感器的输出接入对应的远端模块；所述远端模块，将所接收的分流器和TMR传感器的电信号统一转换为光纤数字量经由光纤绝缘子输出给相应的合并单元；所述合并单元对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，合并单元还提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块，经远端模块转换后给TMR传感器、远端模块内部电路提供工作电源。
如图1是本申请实施例提供的一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器构成示意图。包括一个分流器1、一个TMR传感器2、一个远端模块3、一个光纤绝缘子4和一个合并单元5。分流器1串联在一次电流回路中，由其两端引出输出电压信号，用于测量一次电流值，其工作不依赖于电源，无需供电。分流器1和TMR传感器2的输出接入远端模块3。远端模块3将所接收的分流器1和TMR传感器2的电信号统一转换为光纤数字量经由光纤绝缘子4输出给合并单元5。合并单元5对所接收的光纤数字量中的分流器1和TMR传感器2的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，合并单元5还提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子4输出到远端模块3，经远端模块3转换后给TMR传感器2、远端模块3内部电路提供工作电源。
本实施例中分流器1、TMR传感器2、远端模块3都位于高压端，与高压端导体等电位连接，他们与低压侧的合并单元之间通过光纤绝缘子内的光纤相连。光纤绝缘子4为内嵌多芯光纤的绝缘子。位于高压端的TMR传感器、远端模块内部电路工作所需的电源均由激光供能方式提供，由于支持采用激光供能方式，解决了传感器绝缘的难题。
本实施例中的分流器1测量范围大，不饱和，在较大工作电流及故障大电流时测量准确，但在小电流时的准确度受限，而TMR传感器灵敏度高可适用于小电流的精确传变。利用两种不同传变原理，对采样值进行实时比较和切换处理，当一次电流较大时，合并单元输出采用分流器的测量值，而当一次电流较小时，合并单元输出切换为TMR传感器的测量值，发挥各自的优势，提升了全量程范围的测量准确度。
一些实施例中，分流器串联于一次电流回路中，TMR传感器为圆环结构，一次通流导体从TMR传感器中心穿过，分流器和TMR传感器相互独立，且间隔开一定距离，使分流器运行中产生的发热不影响TMR传感器的工作。
一些实施例中，TMR传感器采用无反馈的开环式传感器。具体的，TMR传感器可以采用环状开口聚磁磁芯加TMR磁电阻器件的方式，或者是采用无磁芯、多个TMR沿圆环圆周均匀分布、信号叠加的阵列方式。TMR传感器的工作依赖于外部电源，开环式传感器具有体积小、重量轻、功耗小、响应快的特点，对供能功率要求不高，这样就可以采用激光供电。闭环的精度会更有优势，但是功耗大，传感器供电是个问题。因而选用开环式传感器，低功耗保证了激光供能的可实施性和高可靠性。而由于支持采用激光供能方式，解决了传感器绝缘的难题。
如图2所示为申请实施例提供的另一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器构成示意图。
图2中示出了远端模块3的具体结构。远端模块3包括高压处理电路、电平转换电路和光电变换电路。其中，高压处理电路接收分流器1和TMR传感器2的输出，将分流器1和TMR传感器2的电信号分别经两路AD采样转换为与一次电流值成正比的数字量并通过光纤发送。光电变换电路接收来自合并单元5的供能激光，将光信号转变为电信号输出到电平转换电路。电平转换电路将供能激光的电信号转换为合适电平的电源电压输出到高压处理电路和TMR传感器，为高压处理电路、TMR传感器提供工作电源。
图2中还示出了合并单元5的具体结构。合并单元5包括低压处理电路、驱动电路和激光器。其中，低压处理电路对远端模块发送的光纤数字量进行处理，对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值。驱动电路和激光器为电源部分，驱动电路驱动激光器发光，提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块。
一些实施例中，合并单元对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值采用的具体处理方式为：当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出采用分流器的测量值，否则输出TMR传感器的测量值。图3为本申请的信号处理环节示意图。结合图3介绍本处理方式：分流器1、TMR传感器2分别为传感器一、传感器二，其输出分别由AD1、AD2两路模数转换通道进行转换，转换后的采样值由DSP进行处理。在两路采样值均有效的情况下，设置采样切换门槛，当AD1采样值较大时，比如大于1.1In，则发送AD1采样值；当AD1采样值较小时，比如小于等于1.1In，则切换为发送AD2采样值。分流器1的测量范围大、不饱和，因此以AD1采样值来判断，在较大工作电流及故障大电流时输出分流器1的测量值数据。但考虑到分流器1在小电流时的准确度受限，当一次电流较小时，切换为输出TMR传感器的测量值数据。从传感器源端利用两种不同传变原理，发挥各自的优势，提升了全量程范围的测量准确度。
一些实施例中，合并单元对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，包括：当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出切换为分流器的测量值；当分流器的采样值小于第二电流阈值时，合并单元输出切换为TMR传感器的测量值；当分流器的采样值介于第一电流阈值和第二电流阈值之间时，合并单元输出不发生切换；所述第二电流阈值小于第一电流阈值。同样结合图3的示意图来进一步介绍：分流器1、TMR传感器2分别为传感器一、传感器二，其输出分别由AD1、AD2两路模数转换通道进行转换，转换后的采样值由DSP进行处理。在两路采样值均有效的情况下，设置采样切换门槛，当AD1采样值较大时，比如大于1.1In，则发送AD1采样值；当AD1采样值较小时，比如小于等于额定一次电流值(In)，则发送AD2采样值。
图2所述实施例中为单套配置，一些实施例中，还可以冗余配置，如图4所示。即配置多个TMR传感器2、多个远端模块3、多个合并单元5，三者数量相等、一一对应，光纤绝缘子4内部配置多根光纤，分流器1数量始终为一个，分流器1与任一个TMR传感器2的输出一起接入对应的远端模块3，远端模块3与合并单元5一一对应地通过光纤绝缘子4内的光纤连接，由多个合并单元5分别提供冗余、独立的输出给其他二次设备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，包括一个分流器、至少一个TMR传感器、至少一个远端模块、一个光纤绝缘子和至少一个合并单元；所述TMR传感器、远端模块和合并单元的数量相等，一一对应；
所述分流器和所述TMR传感器的输出接入对应的远端模块；所述远端模块，将所接收的分流器和TMR传感器的电信号统一转换为光纤数字量经由光纤绝缘子输出给相应的合并单元；
所述合并单元对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，合并单元还提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块，经远端模块转换后给TMR传感器、远端模块内部电路提供工作电源。
2.如权利要求1所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述远端模块包括高压处理电路、电平转换电路和光电变换电路；
所述高压处理电路接收分流器和TMR传感器的输出，将分流器和TMR传感器的电信号分别经两路AD采样转换为与一次电流值成正比的数字量并通过光纤发送；
所述光电变换电路接收来自合并单元的供能激光，将光信号转变为电信号输出到电平转换电路；
所述电平转换电路将供能激光的电信号转换为合适电平的电源电压输出到高压处理电路和TMR传感器，为高压处理电路、TMR传感器提供工作电源。
3.如权利要求1所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述合并单元包括低压处理电路、驱动电路和激光器；
所述低压处理电路对远端模块发送的光纤数字量进行处理，对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值；
所述驱动电路和激光器为电源部分，驱动电路驱动激光器发光，提供带有一定能量的激光经由光纤绝缘子输出到所述远端模块。
4.如权利要求1或3所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，包括：
当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出采用分流器的测量值，否则输出TMR传感器的测量值。
5.如权利要求1或3所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述对所接收的光纤数字量中的分流器和TMR传感器的采样值进行实时比较和切换处理输出最终电流测量值，包括：
当分流器的采样值大于第一电流阈值时，合并单元输出切换为分流器的测量值；
当分流器的采样值小于第二电流阈值时，合并单元输出切换为TMR传感器的测量值；
当分流器的采样值介于第一电流阈值和第二电流阈值之间时，合并单元输出不发生切换；
所述第二电流阈值小于第一电流阈值。
6.如权利要求1所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述分流器串联于一次电流回路中，TMR传感器为圆环结构，一次通流导体从TMR传感器中心穿过，分流器和TMR传感器相互独立，且间隔开一定距离。
7.如权利要求1所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，TMR传感器采用无反馈的开环式传感器。
8.如权利要求7所述的基于分流器和TMR传感器的直流电子式电流互感器，其特征在于，所述TMR传感器采用环状开口聚磁磁芯加TMR磁电阻器件的方式，或者是采用无磁芯、多个TMR沿圆环圆周均匀分布、信号叠加的阵列方式。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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