直流輸電線路直流測量的應用

直流輸電線路直流測量的應用

0巨磁電阻效應測量系統(tǒng)的應用電力工業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。國家中長期科學、技術發(fā)展計劃確定了“大規(guī)模供電和電網(wǎng)安全”作為優(yōu)先事項之一，并強調(diào)了“長距離長距離供電技術”的重要性。因此,特高壓直流輸電線路中直流電流準確檢測的需求日益迫切。早在1936年,德國科學家克萊麥爾教授就研制成功了直流電流互感器,隨后分流器法、霍爾效應法、直流電流比較儀法、法拉第效應法等多種直流電流測量方法得到了較廣泛的研究。但是隨著直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展,電壓等級和電網(wǎng)容量均呈快速增加趨勢,這些方法在實際應用中均遇到了不少問題,如絕緣設計困難、結構復雜、長期運行穩(wěn)定性較差等,難以滿足電力系統(tǒng)快速發(fā)展的需求,因此,需要研究新型的測量方法。為此,本文嘗試將巨磁電阻效應應用于直流電流測量。作為2007年諾貝爾物理獎獲得者的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn),巨磁電阻效應自1988年被發(fā)現(xiàn)起就得到了研究人員的廣泛重視,在很多領域得到了成功應用,奠定了其在電力系統(tǒng)中應用的理論基礎。但是具體應用于電力系統(tǒng),仍存在不少問題。針對這些問題,本文設計了相應的研究方法,深入研究了巨磁電阻傳感器在實際應用過程中溫度、非線性等誤差因素的影響及補償問題,提出了相應的解決方法。設計了基于巨磁電阻傳感器的電子式直流電流互感器結構,提出的冗余備份方法能夠有效改善其長期運行的可靠性水平,實測結果驗證了研究工作的合理性和正確性。1等效電阻傳感器巨磁電阻效應理論復雜,對不同類型的巨磁電阻材料而言,其作用機理也不相同,而且多數(shù)作用機理目前仍處在探索階段。相對比較成熟的是利用二流體模型對磁性多層膜的巨磁電阻效應進行定性解釋,如圖1所示。二流體模型中,鐵磁金屬中的電流由自旋向上和自旋向下的電子分別傳輸,自旋磁矩方向與區(qū)域磁化方向平行的傳導電子所受的散射小,因而電阻率低。當磁性多層膜相鄰磁層的磁矩反鐵磁耦合時,自旋向上、向下的傳導電子在傳輸過程中分別接受周期性的強、弱散射,因而均表現(xiàn)為高阻態(tài)R1;當多層膜中的相鄰磁層在外加磁場作用下趨于平行時,自旋向上的傳導電子受到較弱的散射作用,構成了低阻通道R3,而自旋向下的傳導電子則因受到強烈的散射作用而形成高阻通道R2,由于2個通道為并聯(lián)通道,所以多層膜表現(xiàn)為低阻狀態(tài),即隨著外加磁場的變化,多層膜的等效電阻將呈下降趨勢。對于巨磁電阻傳感器,通常構造成如圖2所示的惠斯登電橋結構來進行測量。由于到目前為止所有的理論模型都只能定性對巨磁電阻效應的作用機理進行解釋,尚不能建立定量的模型,因此在實際應用中必須對傳感器特性進行全面的測試。2靜態(tài)特性測試裝置通過上文對巨磁電阻傳感器的原理介紹可以看出,將其應用于直流電流測量,其實質(zhì)是對靜態(tài)磁場的敏感。為全面了解其靜態(tài)特性,設計并完成了圖3所示的靜態(tài)磁場下巨磁電阻傳感器外特性測試裝置,以獲取其全面的靜態(tài)特性指標。圖3(a)中,電流源輸出直流電流,流過圖3(b)所示的印制電路板(PCB)結構,將在距PCB上通流導線R處產(chǎn)生靜態(tài)磁場,巨磁電阻傳感器的放置方式如圖3(a)所示,與直流電流所產(chǎn)生磁場的方向垂直。直流電流大小通過功率負載箱進行調(diào)節(jié),從而產(chǎn)生幅度變化的靜態(tài)磁場,PCB上還置有溫度傳感器和標準磁場傳感器,所有傳感器輸出信號將通過數(shù)據(jù)采集卡被計算機采集后進行分析處理。設計這種靜態(tài)特性測試裝置是出于如下考慮:1)采用較小量程的直流電流源(0~20A)即可產(chǎn)生滿足巨磁電阻傳感器線性范圍的靜態(tài)磁場變化,所產(chǎn)生的靜態(tài)磁場的穩(wěn)定性和重復性優(yōu)于大量程直流電流源所產(chǎn)生的磁場。2)便于設計溫度、振動等誤差干擾源影響的試驗,能夠全面測試巨磁電阻傳感器的各項靜態(tài)性能指標。采用靜態(tài)特性測試裝置得到的巨磁電阻傳感器靜態(tài)特性結果如圖4所示。測試正/負向磁場下的傳感器靜態(tài)特性,是因為直流輸電過程中存在雙極性輸電的情況。從圖中的測試結果可以得到如下結論:1)正/負向磁場下傳感器的線性度指標并不理想,因此應考慮非線性誤差的補償問題,其解決方法將在后文討論。2)傳感器正/負向磁場下的靜態(tài)特性存在微小差別。其原因可能是巨磁電阻傳感器橋式結構中各橋臂電阻不完全對稱,這也決定了巨磁電阻傳感器在實際應用時必然存在互換性較差的不足。傳感器的溫漂和時漂測試結果分別如圖5(a)和圖5(b)所示。由于磁場的變化正比于電流的變化,因此,圖5(a),(b)均可反映出傳感器特性隨磁場變化的實質(zhì)特性。在溫漂特性中,溫度變化對飽和區(qū)的輸出影響較大,而在線性區(qū)輸出幾乎沒有變化;時漂特性以負向電流下的特性為例,測時間隔1d之后傳感器的特性變化,可以看出,兩者幾乎重合。溫漂和時漂的測試結果表明傳感器具有良好的穩(wěn)定性。3高壓側檢測及自診斷功能的實現(xiàn)在全面獲取傳感器的靜態(tài)特性后,可設計出如圖6所示的巨磁電阻直流電流互感器總體方案。鑒于傳感器輸出需調(diào)理成光信號以實現(xiàn)高、低壓間的絕緣,因此該互感器屬于有源電子式互感器范疇。圖中,在高壓側引入了單片機,其目的是:①提高高壓側電路的智能化水平,方便傳感器非線性誤差補償、在線自校準等智能化功能的實現(xiàn);②為高壓側電路的冗余備份設計以及自診斷功能的實現(xiàn)奠定硬件平臺,有助于提高高壓側電路的長期運行穩(wěn)定性及可靠性水平?；ジ衅鬟\行時可使單片機2休眠,由單片機1完成高壓側電路的所有功能,如果低壓側電路判斷出高壓側電路可能存在故障,即喚醒高壓側的單片機2,并對單片機1發(fā)出復位指令。對高壓側電路進行測試診斷以排查故障原因,最壞情況是單片機1存在故障,此時將單片機1的工作任務倒換至單片機2以使互感器保持正常工作,從而克服了高壓側電路因單片機1出現(xiàn)故障而導致互感器不能工作的缺陷。冗余備份的設計將有助于提高互感器運行的可靠性水平,帶來的問題則是高壓側對電源功率需求的提高。通過對激光供能方法的優(yōu)化研究,有可能實現(xiàn)高壓側的冗余備份方案。4非線性誤差補償前已述及,巨磁電阻傳感器自身的外特性表現(xiàn)出非線性的特點,對互感器電路部分的測試也表明其存在一定程度的非線性,因此2個部分聯(lián)調(diào)的結果表現(xiàn)出明顯的非線性特性,如圖7所示。由于實驗室內(nèi)電流源量程的限制,實際測試時調(diào)整了巨磁電阻傳感器和通流導體的距離,實際應用時也可以通過這種方法擴大互感器的量程?？梢钥闯?互感器的非線性問題比較突出,且當導體電流為0時,互感器的輸出電壓并不為0,因此,需要進行非線性校正,以獲取期望的線性關系:y=kx式中:x為電流大小;y為互感器輸出電壓;k為斜率,可依據(jù)國家標準靈活設定。非線性誤差補償?shù)那疤釛l件是互感器測試結果具有良好的重復性,測量結果表明互感器的重復性指標為0.08%,滿足非線性誤差補償?shù)囊?。常用的非線性誤差補償方法有查表法和曲線擬合法,曲線擬合法適用于輸入—輸出關系曲線適合某種特定規(guī)律曲線的情況,而查表法適用范圍相對較寬,核心思想是將非線性曲線分段線性化處理。綜合對比2種方法的優(yōu)缺點,決定采用查表法進行非線性誤差補償,這種方法的實現(xiàn)也是借助于高壓側電路中單片機強大的數(shù)據(jù)處理能力來實現(xiàn)的,查表法校正前后的效果對比如圖8所示。從圖中可以看出,采用查表法進行非線性誤差補償前,互感器的實際輸出與理想輸出間的誤差較大,且存在一個較大的直流偏置;而進行非線性誤差補償之后,兩者間的誤差明顯減小。通過計算可得:誤差補償前的線性度指標為1.46%,而采取補償措施后的線性度指標為0.11%,非線性誤差得到了較好的補償。綜合線性度和重復性指標的測量結果,可以得到互感器的準確度指標為:Δ=ε2重復+ε2線性??????√=0.082+0.112???????????√=0.14Δ=ε重復2+ε線性2=0.082+0.112=0.14可見,0.14%的準確度指標達到了設計時0.20%的準確度要求。5采用密閉式組合傳感器方案設計,提高了濾波器的工作原理和測量設備在大電流1)全面測試并深入分析了巨磁電阻傳感器的各項性能指標,結果表明,巨磁電阻傳感器存在一定程度的非線性,且存在互換性較差的不足,但線性區(qū)間的溫漂