高压大电流测量系统发展的回顾与展望

国家中低压输配电设备质量监督检验中心 周小猛

1 引言

短路试验时，需要使用高压大电流测量系统不失真地记录短路电流、工频恢复电压、瞬态恢复电压、合分闸线圈电流、行程曲线等波形，并从这些波形上准确地测算出有效值、峰值、短路持续时间、TRV值、燃弧时间、功率因数和直流分量百分数等电气参数，以便于公正有效地判定试验是否有效及这些电气设备是否通过试验。因此，高压大电流测量系统的测量精度及计算精度在相当大的程度上影响着试验结果判定的一致性与公正性。选择一套工作稳定可靠、电气隔离与抗干扰能力强、采集速度快、参数测量计算准确的测量系统对各高压大容量试验室来说显得尤为重要。

作为高压大容量试验室的关键设备，高压大电流测量系统借助于传感器、微电子、计算机软硬件等技术的进步在近几十年内取得了飞速的发展。但总体上，高压大电流测量系统仍可由三部分组成，如图1所示。传感器/隔离装置为电压/电流互感器、分压器、分流器、带积分回路的磁位计(罗氏线圈)、行程传感器、摄像机、光电/电光转换器等装置，用于采集试验参数或电气隔离；测量主机对传感器/隔离装置输出的信号进行滤波、采样和存储后，再利用人机界面显示短路试验波形并计算相应的电气参数。

本文根据不同时期的高压大电流测量系统结构、工作原理与性能的不同，将其划分为三代：20世纪80年代以前的高压大电流测量系统为******代测量系统，以模拟化、结构简单为特征；20世纪80年代至20世纪末的测量系统为第二代测量系统，以数字化、个人计算机为特征；21世纪初至今的测量系统为第三代测量系统，以光电技术、功能完备、定制化为特征。本文简述测量系统的发展历程，阐述其性能特点，并对其今后的发展趋势做了简要的展望，为各试验室在选择与购买高压大电流测量系统时提供了参考，以及为测量系统生产厂家提供了一定的启发与借鉴。

2 三代测量系统的主要特征

2.1 ******代测量系统

在20世纪80年代之前，由于数字传感器、微电子、计算机、高速摄像等技术尚处于起步或萌芽阶段，没有被大规模发展或应用。因此******代测量系统主要以模拟设备组成，总体上来说具有以下特点[1-4]：

(1)优先使用分流器测量短路试验的大电流，分流器的一端接地。测量点处无法接地时，则使用电流互感器代替。

(2)使用电压互感器测量工频回复电压、电容分压器测量TRV。由于电容分压器的精度及示波器的测量带宽较低，测量TRV时实际上只测量电压的振幅系数和变化速率(即固有频率)。

(3)一般使用模拟的电磁式示波器作为测量主机记录短路试验的高压和大电流，由于电磁式示波器的带宽较低(约3kHz)，当测量高频的电压变化速率时，需选用阴极射线示波器。

(4)通常用作图法计算采自示波器上的波形有效值、直流分量、燃弧时间等参数。波形手工绘画于试验报告中。

******代测量系统仅由分流器、电压互感器、电磁式示波器等少数几个分散的部件构成。分流器、电压互感器等传感器的输出直接连到示波器，试验人员在示波器上观察并测算短路试验波形。此外，测量系统的测量回路与试验主回路之间没有完全的电气隔离，也没用使用高速摄像机对试品的状态进行实时监控，同时由于理论和技术条件的限制，没有对TRV的峰值、时延等参数进行测量。因此在试验过程中对试品的监控是较不完备的。

2.2 第二代测量系统

由于分流器存在着制造使用困难、一二次之间无电气隔离、安装位置受限等固有的缺点，使用较为不便。为此，带积分回路的磁位计在20世纪80年代得到了深入的研究[5-7]，并以其线性度好，测试范围宽，一、二次完全电气隔离等优良的特性，较快地取代了分流器，被广泛应用于各高压大容量试验室中。随着对高压开关设备开断过程研究的深入，以往所用的振幅系数和固有频率两个参数已不能充分的描述TRV[11]，这便需要高压大电流测量系统具有足够高的分辨率和精度，同时能对复杂的波形进行快速的处理和测算。基于以上两个主要的需求，同时得益于这一时期高速模数转换、计算机软硬件等数字电子技术的发展，同******代测量系统相比，第二代测量系统具有以下主要特征[8-10]：

(1)使用带积分回路的磁位计代替分流器测量短路试验的交流大电流。对于直流大电流，依然使用分流器。

(2)使用高精度的阻容分压器代替电容分压器，使精确的测量TRV波形成为可能。

(3)使用带高速模数转换的数字式示波器或数字测量系统来取代模拟的电磁式示波器或阴极射线示波器。将传感器测得的模拟短路试验波形，经过高速采样转换为数字信号后，再送入测量主机中。

(4)个人计算机开始应用于测量系统中。利用计算机的软硬件，可以方便地实现对数字化的短路试验波形进行存储、运算等处理，自动计算出波形的各项参数、打印短路试验波形等各种功能。

由于无需频繁地更换不同量程的分流器且引入了功能强大的计算机辅助测量，第二代测量系统极大地简化了试验人员的工作，提高了短路试验的效率。但它同时也存在一定的缺点，如磁位计的输出信号很弱，在高压大电流环境中很容易被干扰；以及计算机的软硬件配置较为简单，不能满足不同试验室迥异的需求等。

2.3 第三代测量系统

进入21世纪以来，随着高压大容量试验室的增多及短路试验容量的提高，高压大电流测量系统工作的电磁环境日益恶劣，且罗氏线圈等传感器的输出信号幅值很低，其电磁兼容问题更加严重。为此，将光电技术引入测量系统，再加上功能强大的软硬件设备，形成了第三代测量系统的主要特征[12-14]：

(1)首先，将磁位计、分压器、行程传感器等传感器的输出电信号就地转换为光信号，通过光缆传输到测量主机处，测量主机将其转换为电信号后再进行存储、运算等各种处理。大大提高了测量系统的抗电磁干扰能力。

(2)大幅度提高了测量主机的运算速度、缓存容量、内存等关键设备的配置。使得测量系统可以胜任从高速测量(如断路器的近区故障试验)到长时间不间断测量(如熔断器的时间——电流特性试验)的各种试验需求。

(3)全面优化了测量系统的软件功能。使试验人员不仅可以利用测量系统自带的软件方便地测算波形的各项参数、输出试验报告等，还可以对系统进行二次开发，编写定制的测量和控制程序，以满足不同试验室的个性化试验需求。

(4)将高速摄像机、红外热像仪等设备引入测量系统中。使测量系统可以对试品的状态进行更加全面的实时监控，同时也有助于生产厂家更好的分析故障原因，发现潜在缺陷。

虽然第三代高压大电流测量系统的性能强大、功能也较为完善。从实际使用情况来看，仍然存在不足之处。

(1)随着短路试验电压等级的提高，电压互感器、分压器等传感器体积随之明显增大，罗氏线圈也需要随之增加绝缘强度及抗干扰能力。

(2)放置在试验现场的罗氏线圈、电光转换器等设备为有源器件。为了提高安全性及抗干扰能力，目前这些设备均为蓄电池供电。试验人员需要经常更换电池，同时频繁出入试验现场也存在安全隐患。

3 未来测量系统发展趋势的展望

本文根据上述第三代高压大电流测量系统的不足之处，并基于对未来科技发展的预测，提出了几条未来测量系统发展的趋势，为各试验室和生产厂家提供参考。

(1)使用新型的光学电流/电压互感器代替传统的罗氏线圈、分压器和电压互感器[15,16]。目前大规模使用的罗氏线圈虽然优点明显，但是依然存在着与主回路间需要电气绝缘、无法测量直流电流、精度受安装姿态影响等缺点。随着智能电网的发展，电压等级提高，直流电网和大容量直流断路器逐渐增多，上述缺点日益突出。基于法拉第磁光效应的光学电流互感器使用光纤作为传输和测量介质，绝缘性能好，可以准确地测量直流电流。光学电压互感器相对于分压器和电压互感器则具有体积小、频率响应宽、抗干扰能力强、绝缘性能好、不存在磁饱和和铁磁谐振等优点。

(2)使用激光等新型能源代替蓄电池为试验现场的有源器件供电[17]。激光供电方式的原理为低压侧(地面)的激光二极管将输入电能转换为光能，通过光纤将光能传送到高压侧的PPC器件，PPC器件将光能转换为电能，经过稳压电路后供高压侧的电子装置使用。具有使用方便、电气隔离和抗干扰性能好等优点，应用前景广阔。

(3)为高压大电流测量系统增加触发点火装置等高压合成试验的控制功能。随着试品电压等级及开断容量的上升，合成试验已成为主要的试验方式。在合成试验中，需要精确地采集主回路的电流、电压等信号，以便准确地发出点火命令，引入延弧或电压回路。目前，一般均采用专用的同步控制系统来完成上述工作[18]。同步控制系统需要单独配置罗氏线圈、电流互感器和分压器等传感器，且需要花费大量的成本和精力在控制系统的抗干扰和电气隔离设计上。高压大电流测量系统本身已有高精度的传感器及完善的抗干扰和电气隔离措施，另具有工作稳定可靠、运算速度快、监测全面、软件功能强大等优点。其只需要修改部分软件程序及增加相应硬件出口即可实现合成试验的控制功能，若能如此，可以大幅度降低试验室的成本，同时提高合成试验的安全性、控制精度与成功率。

4 结束语

由于高压大电流测量系统集成了高压电气隔离、抗强电磁干扰、高速A/D转换、高速采集控制等大量的先进技术，因此目前其市场份额绝大部分被德国HBM、AMOtronics等公司占据，国产测量系统在测量精度、采集速度、软件功能等方面同国外产品相比依然存在较大差距。

高压大电流测量系统作为高压大容量试验室的关键设备，影响着试验结果判定的一致性与公正性，因此各试验室也十分重视对测量系统的性能研究及二次开发。本文通过对测量系统的发展历程、结构原理及性能特点的阐述，期望能给各试验室及测量系统生产厂家提供一定的参考。