一二次深度融合用电子传感器的工程应用

国家电网公司在2016年末提出的“配网自动化终端DTU/FTU需要考虑一二次设备融合的需求和考虑采用电子式互感器来取代传统的电磁式互感器”的总体思路成为了现阶段几乎所有配网自动化终端生产企业的研究对象。

本文主要针对10kV柱上断路器内置电子传感器的输出信号采样在实际工程应用中出现的若干问题进行分析，并提出解决方案。

1 一二次深度融合成套设备工程应用中遇到的问题

某一客户现场挂网运行的线路保护装置采用一二次深度融合成套设备，10kV柱上断路器内置电压、电流电子传感器，电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器（LPCT），电压传感器采用电容分压式传感器（CVT），控制单元采用基于无源电子传感器的智能馈线终端（FTU）。

在设备挂网运行一段时间中出现以下故障：①设备报“后备欠压”及“电压采样错误”报警，三相电压采样值为：Ua：14593V，Ub：5302V，Uc：5681V，零序电压U0：2604V；②FTU电流采样端子断开输入电缆，零序电流I0显示6.5A；电缆接入电流输入端子后，I0显示为0。

针对上述情况，用万用表在传感器输出口测试电压、电流输出数值均正常。现场挂网运行设备的交流采样部分原理框图如图1所示。

图1 现场FTU交流采样电路示意图

2 问题分析

根据第1节的现场描述可以判断电子传感器及AD芯片等后级电路是正常工作的，那么故障就发生在交流信号的保护电路和调理电路。

图2所示为三相电流采样电路。将样机的电流信号线对机壳施加500V工频电压时未通过，信号线对机壳施加GB/T 15153.1中规定的浪涌4级及GB/T 17626.4中规定的电快速瞬变脉冲群干扰4级时均未通过。

如图2所示分析，电流信号输入端采用压敏电阻10K390抑制差模及共模干扰，抑制共模干扰的压敏电阻存在动作电压低，信号线对机壳承受的耐压较低以及EMC浪涌试验通不过等问题。

图2 三相电流采样电路

电子式电流传感器采用低功耗铁心线圈电流互感器，自带线圈隔离，可以避免因一二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差；但电子式电压传感器从10kV母线通过低压臂电容分压到FTU的信号输入间完全没有隔离措施，这将引起：①高压一次侧引入二次侧；②因一、二次侧间信号与电源共地而引起的测量误差。

2.2 三相电压、零序电压及零序电流采样电路分析

如图3所示为三相电压、零序电压及零序电流采样电路。信号输入端保护采用压敏电阻10K390及TVS。但由于10K390的动作电压为39V，存在同图2一样的问题。

图3 交流电压及零序电流采样电路

根据运放“虚短”、“虚断”：

表1 TVS存在时测试结果

表2 TVS去除时测试结果

此外，零序电流由于信号幅值较小（额定值0.2V），易受高频、接地及工频干扰，造成输入端悬空时零序电流有数值显示。

3 解决方案

为了解决上述电磁兼容及交流采样不准等问题，保证测量精度及可靠性，本文从信号的传输、隔离以及AD转换方面提出解决方案，其中隔离方式提出两种方案。

3.1 双绞屏蔽线长线传输

信号在传输过程中会受到电场、磁场和地电位等干扰因素的影响，因此，对于电子传感器模拟小信号而言，为了获得更好的信号质量，建议采用双绞屏蔽线。双绞屏蔽线分为单屏蔽层和双屏蔽层。

双屏蔽层要求内外层绝缘，成本较高；但它对高频信号的抗干扰能力较好，在实际应用中，可将内屏蔽层在二次侧接地，外屏蔽层在一次侧接地。若采用单屏蔽双绞线，则应在接收信号的二次侧将屏蔽层单端接地。

3.2 微型互感器方案

考虑到电子式电流传感器是LPCT，自带线圈隔离，但信号需经8～15m长的电缆传输；而电子式电压传感器输出信号调理回路没有任何隔离措施，故将交采回路设计为微型互感器采集，原理框图如图4所示。

3.3 光电耦合隔离方案

如图5所示，本设计采用高速线性光耦HCNR201进行光电隔离，它具有超低线性度（0.01%）、低增益温度系数、耐压等级高（5kV）、隔离电压高（最高隔离8kV）、单向传输、抗共模干扰能力强及信号一比一线性高速传输等优点。交流电压信号经过调理后接入光耦，光耦将夹杂在输入量中的各种干扰脉冲都挡在输入侧，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

图4 微型互感器方案

图5 光电耦合隔离电路

3.4 ADC采样

输入信号为交流小电压信号，采用差分输入， AD芯片采用MAX11046，该芯片具有3s快速转换时间，高吞吐率：每个通道为250ksps，16位/14位高速并行接口，低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围，3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围，满足交流模拟量输入通道需要10M以上输入阻抗匹配要求。

4 实验数据分析

以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案2中的微型互感器隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。交采回路经改进后与电子式传感器联调结果见表3。测量精度满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5% 。

但微型互感器方案在测试相位误差时发现“1V/0.35V”互感器角差为5°，“0.2V/0.2V”互感器在信号下降沿角差为2.3°，这将不满足相差不大于10′的标准规定。相角偏移是电容因素引起的，包括前面的电容分压器、传输电缆分布电容以及互感器线圈分布电容等因素，可以采取一定的补偿措施对电路的相位特性进行改善。

表3 零序电流联调测试结果

仍以零序电流为例，柱上断路器与FTU间的连线采用方案1中的单屏蔽双绞线，屏蔽层在FTU端接地；隔离方案采用方案3中的光耦隔离，AD转换芯片采用方案4中的MAX11046芯片。测量精度亦可满足0.5级互感器的比差要求（＜0.5%），测试相位误差时采用示波器对比输入与输出端的波形如图6所示。

光滑曲线为输入信号，带点曲线为输出信号，由图可知，输入线与输出线基本重合，线性度较好；输入信号有效值为10mV时，输出信号有效值为9.98mV，相位误差在5′左右，满足0.5级电子式互感器对采样精度的要求。

图6 光耦隔离试验波形

结论

综上所述：①三相电压采样电路、零序电压采样电路和零序电流采样电路输入端串联的限流电阻与TVS形成分压，影响了采样精度；②电路中采用的防护器件的等级不够，对高压侧串入的干扰不能很好的防护。

鉴于此，文中采用方案1解决8～15m电缆上叠加的电磁干扰，采用方案2或方案3可以完全隔离一二次侧相互串扰问题，方案4提高AD转换的速度、精度以及高输入阻抗匹配问题。

本文采用方案1、方案3以及方案4结合设计了FTU交采回路，FTU机箱采用复合型电磁屏蔽结构及合理的接地设计。经过本设计处理后的一二次深度融合成套设备已经顺利通过电磁兼容等试验项目验证，符合国家配电自动化设备相关标准。

大湾区智能传感器工程中心落地松山湖，顶尖专家共论万亿产业

智能传感器是国家数字经济转型和高质量发展的基础，随着近年来人工智能、物联网技术的发展，基于新型功能材料、MEMS工艺、半导体和先进封装等技术的高精度智能传感器芯片、模组及系统解决方案市场需求越来越迫切。大湾区是我国电子产品制造产业聚集地，为服务大湾区智能制造的升级，聚集传感器产业链上下游各环节，实现大湾区智能传感器产业的协同发展，1月24日，首届大湾区智能传感产业创新峰会在松山湖材料室实验室举办。

中国科学院院士、实验室主任汪卫华，实验室常务副主任陈东敏，东莞市科技局党组成员谢华，实验室产业化委员会秘书长付莹，以及来自北奔重型汽车、东莞实业投资集团、北京亿欧网盟、珠海亿智电子、意大利STE 公司、 广电计量、微传智能科技、东莞丰智谷智能设备、深圳市斯柯得、益良盛科技、军友科技、法国应用艺术研究院、香港科技大学等高校单位和海内外企业的代表共80余人参加了峰会。

本次峰会由实验室创新样板工厂非晶智芯团队负责人、大湾区智能传感器工程中心执行主任张超和实验室产业化委员会秘书长付莹共同主持，会上围绕智能传感器产业建设发展、技术趋势、市场前景等进行了深度探讨，共话智能传感器创新之路，加强上中下游产业链强强合作，点燃大湾区万亿传感产业赛道新引擎。

在此次峰会上，大湾区智能传感器工程中心（以称“工程中心”）揭牌启动，并举行了专家委员会委员聘任仪式。15位来自材料、装备、半导体、AI、工业设计及投融资领域的权威专家授聘为工程中心的专家委员会委员。

汪卫华院士在致辞中介绍了实验室建立5年以来的建设成果和科研进展。实验室已经建成完备的材料表征与制备、微加工器件等平台，可以为智能传感器产业充分赋能。他呼吁各行业专家齐聚实验室，共建大湾区智能传感器工程中心，共同赋能新材料的未来，找到一条切实可行的科研成果转化道路。

谢华介绍了东莞传感器产业的规模化发展历程及现状，并表示对该产业发展的高度重视与战略关切。他强调，东莞市政府将持续倾力支持传感器产业的发展，针对实验室不同研究板块，也将进一步强化科技创新支持力度，促进产业链上下游协同创新，旨在提升东莞传感器产业的核心竞争力。

陈东敏指出，实验室的核心独特性在于其全链条创新模式的运用，尤其在成果产业转化阶段，实现了从基础材料研究到器件精密加工，再到终端产品的全产业链创新孵化布局。工程中心所构建的独特创新机制，有效弥补了创新链的短板，有力延伸了产业链条，并且强化了与下游创新产业的深度合作，从而更高效地推动科技成果向现实生产力转化。

本次峰会聚焦智能传感器产业建设发展、技术趋势、市场前景等进行产业探讨，包含七场特邀报告及两场圆桌对话。

大会上，工程中心执行主任张超以《大湾区智能传感器工程中心建设规划》为题作主旨报告，介绍了工程中心研发平台、检测平台、产品平台及服务平台四大核心平台的战略布局与未来发展路径。张超指出，工程中心将以实验室为依托，充分利用东莞和大湾区成熟的智能装备产业条件，旨在整合并构筑一个完整的传感产业生态闭环体系，实现从传感技术研发、产品创新、供应链管理直至客户市场的全方位生态集聚，为我国智能传感器产业的国际竞争能力贡献大湾区力量。

亿欧总裁王彬表示，智能化和绿色化是新质生产力的两大核心特征，在“智能化和绿色化”的新质生产力时代，汽车场景、大健康场景、智能制造场景、消费场景、航天场景、金融场景、文娱场景、新能源算力八大场景将释放新价值，迎来产业链新形态和新老替换的加速完成。

峰会期间举行多轮产业合作签约仪式，北奔重型汽车集团有限公司、东莞市大学创新城建设发展有限公司、广电计量检测集团有限公司、北京亿欧网盟科技有限公司、微传智能科技（常州）有限公司、东莞丰智谷智能设备有限公司、深圳市斯柯得检测技术有限公司、易良盛科技（天津）有限公司、军友科技研究发展（深圳）有限公司、法国应用艺术研究院、珠海亿智电子科技有限公司等11家企业签署战略合作，未来将共同携手，充分发挥在大湾区的产业优势，进行全方位合作。

南方+记者 凌乐仪

松山湖材料实验室供图

【作者】 凌乐仪

【来源】 南方报业传媒集团南方+客户端

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