直流輸電線路直流測量的應(yīng)用

直流輸電線路直流測量的應(yīng)用

0巨磁電阻效應(yīng)測量系統(tǒng)的應(yīng)用電力工業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。國家中長期科學(xué)、技術(shù)發(fā)展計(jì)劃確定了“大規(guī)模供電和電網(wǎng)安全”作為優(yōu)先事項(xiàng)之一，并強(qiáng)調(diào)了“長距離長距離供電技術(shù)”的重要性。因此,特高壓直流輸電線路中直流電流準(zhǔn)確檢測的需求日益迫切。早在1936年,德國科學(xué)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(yīng)法、直流電流比較儀法、法拉第效應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中均遇到了不少問題,如絕緣設(shè)計(jì)困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長期運(yùn)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(yīng)應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域得到了成功應(yīng)用,奠定了其在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。但是具體應(yīng)用于電力系統(tǒng),仍存在不少問題。針對這些問題,本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的研究方法,深入研究了巨磁電阻傳感器在實(shí)際應(yīng)用過程中溫度、非線性等誤差因素的影響及補(bǔ)償問題,提出了相應(yīng)的解決方法。設(shè)計(jì)了基于巨磁電阻傳感器的電子式直流電流互感器結(jié)構(gòu),提出的冗余備份方法能夠有效改善其長期運(yùn)行的可靠性水平,實(shí)測結(jié)果驗(yàn)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(yīng)理論復(fù)雜,對不同類型的巨磁電阻材料而言,其作用機(jī)理也不相同,而且多數(shù)作用機(jī)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(yīng)進(jìn)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(dǎo)電子所受的散射小,因而電阻率低。當(dāng)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(dǎo)電子在傳輸過程中分別接受周期性的強(qiáng)、弱散射,因而均表現(xiàn)為高阻態(tài)R1;當(dāng)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(dǎo)電子受到較弱的散射作用,構(gòu)成了低阻通道R3,而自旋向下的傳導(dǎo)電子則因受到強(qiáng)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(gòu)造成如圖2所示的惠斯登電橋結(jié)構(gòu)來進(jìn)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(yīng)的作用機(jī)理進(jìn)行解釋,尚不能建立定量的模型,因此在實(shí)際應(yīng)用中必須對傳感器特性進(jìn)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(yīng)用于直流電流測量,其實(shí)質(zhì)是對靜態(tài)磁場的敏感。為全面了解其靜態(tài)特性,設(shè)計(jì)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(biāo)。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(jié)構(gòu),將在距PCB上通流導(dǎo)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(fù)載箱進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)采集后進(jìn)行分析處理。設(shè)計(jì)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(fù)性優(yōu)于大量程直流電流源所產(chǎn)生的磁場。2)便于設(shè)計(jì)溫度、振動等誤差干擾源影響的試驗(yàn),能夠全面測試巨磁電阻傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)。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(jié)果如圖4所示。測試正/負(fù)向磁場下的傳感器靜態(tài)特性,是因?yàn)橹绷鬏旊娺^程中存在雙極性輸電的情況。從圖中的測試結(jié)果可以得到如下結(jié)論:1)正/負(fù)向磁場下傳感器的線性度指標(biāo)并不理想,因此應(yīng)考慮非線性誤差的補(bǔ)償問題,其解決方法將在后文討論。2)傳感器正/負(fù)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(jié)構(gòu)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(shí)際應(yīng)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(jié)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(shí)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(fù)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(jié)果表明傳感器具有良好的穩(wěn)定性。3高壓側(cè)檢測及自診斷功能的實(shí)現(xiàn)在全面獲取傳感器的靜態(tài)特性后,可設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)引入了單片機(jī),其目的是:①提高高壓側(cè)電路的智能化水平,方便傳感器非線性誤差補(bǔ)償、在線自校準(zhǔn)等智能化功能的實(shí)現(xiàn);②為高壓側(cè)電路的冗余備份設(shè)計(jì)以及自診斷功能的實(shí)現(xiàn)奠定硬件平臺,有助于提高高壓側(cè)電路的長期運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性水平?；ジ衅鬟\(yùn)行時可使單片機(jī)2休眠,由單片機(jī)1完成高壓側(cè)電路的所有功能,如果低壓側(cè)電路判斷出高壓側(cè)電路可能存在故障,即喚醒高壓側(cè)的單片機(jī)2,并對單片機(jī)1發(fā)出復(fù)位指令。對高壓側(cè)電路進(jìn)行測試診斷以排查故障原因,最壞情況是單片機(jī)1存在故障,此時將單片機(jī)1的工作任務(wù)倒換至單片機(jī)2以使互感器保持正常工作,從而克服了高壓側(cè)電路因單片機(jī)1出現(xiàn)故障而導(dǎo)致互感器不能工作的缺陷。冗余備份的設(shè)計(jì)將有助于提高互感器運(yùn)行的可靠性水平,帶來的問題則是高壓側(cè)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(shí)現(xiàn)高壓側(cè)的冗余備份方案。4非線性誤差補(bǔ)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(diǎn),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(jié)果表現(xiàn)出明顯的非線性特性,如圖7所示。由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電流源量程的限制,實(shí)際測試時調(diào)整了巨磁電阻傳感器和通流導(dǎo)體的距離,實(shí)際應(yīng)用時也可以通過這種方法擴(kuò)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(dāng)導(dǎo)體電流為0時,互感器的輸出電壓并不為0,因此,需要進(jìn)行非線性校正,以獲取期望的線性關(guān)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(biāo)準(zhǔn)靈活設(shè)定。非線性誤差補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是互感器測試結(jié)果具有良好的重復(fù)性,測量結(jié)果表明互感器的重復(fù)性指標(biāo)為0.08%,滿足非線性誤差補(bǔ)償?shù)囊?。常用的非線性誤差補(bǔ)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(guān)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(diǎn),決定采用查表法進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償,這種方法的實(shí)現(xiàn)也是借助于高壓側(cè)電路中單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力來實(shí)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(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償前,互感器的實(shí)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(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償之后,兩者間的誤差明顯減小。通過計(jì)算可得:誤差補(bǔ)償前的線性度指標(biāo)為1.46%,而采取補(bǔ)償措施后的線性度指標(biāo)為0.11%,非線性誤差得到了較好的補(bǔ)償。綜合線性度和重復(fù)性指標(biāo)的測量結(jié)果,可以得到互感器的準(zhǔn)確度指標(biāo)為:Δ=ε2重復(fù)+ε2線性??????√=0.082+0.112???????????√=0.14Δ=ε重復(fù)2+ε線性2=0.082+0.112=0.14可見,0.14%的準(zhǔn)確度指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)時0.20%的準(zhǔn)確度要求。5采用密閉式組合傳感器方案設(shè)計(jì),提高了濾波器的工作原理和測量設(shè)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(xiàng)性能指標(biāo),結(jié)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