光纖隔離變換器在光電式電流互感器中的應用

崔國友

(902廠，上海 200083)

0 引言

電流互感器 (CT)是電力系統(tǒng)中檢測一次輸電線路中的電流信息并轉換成相應的電信號，傳送給二次設備進行測量、保護和控制。無論是高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)，電流互感器都是不可缺少的一部分，其測量準確度和運行可靠性是實現電力系統(tǒng)安全、可靠、經濟運行的前提。傳統(tǒng)的直流電流測量方法是基于電磁感應原理，用零磁通或磁調制的方法，對絕緣要求高、結構復雜、設備體積大而笨重、易受電磁干擾、造價高［1］。

隨著低損耗光纖的試制成功，目前對傳感設備的小型化、模塊化、多功能化、數字化和智能化的要求日益增加。此外和傳統(tǒng)的CT相比，基于Rogowski線圈的光電式電流互感器 (OCT)具有抗電磁干擾、不飽和、頻帶寬、測量范圍大、準確度高等特點［2］，這都使得OCT的發(fā)展與實用化成為現實。而其主要技術之一是光纖隔離變換器的設計，光纖隔離變換器的好壞對OCT整個系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性有著至關重要的影響。本文在介紹OCT基本原理的基礎上，設計了一種基于 (V/F)－(F/V)轉換結合光纖傳輸方式進行電信號隔離和傳輸的光纖隔離變換器。通過實驗驗證系統(tǒng)功能穩(wěn)定，運行可靠。

1 基本原理

1.1 Rogowski線圈的工作原理

Rogowski線圈橫截面的形狀主要有2種——矩形和圓形，下面以矩形為例對Rogowski線圈傳感頭的互感系數進行分析計算。其外形結構如圖1所示，整個二次繞組均勻地繞在一個環(huán)形的非磁性骨架上。

1.2 OCT 的原理

OCT的原理框圖如圖2所示。Rogowski線圈感應出的模擬電壓信號經精密積分器得到一個與被測電流成比例的電壓信號，通過前置放大對信號進行處理;接著在高壓端把這個信號通過V/F轉換成相應的頻率信號，通過光纖發(fā)生器進行電光 (E/O)轉換成調制光脈沖信號。再把這個光脈沖信號通過光纖傳到低電位，在低電位端，經光電 (O/E)轉換把光信號解調為電信號，最后利用F/V轉換電路將頻率信號還原成電壓信號輸出顯示。其中V/F、F/V轉換電路，E/O、O/E變換電路及光纖共同構成光纖隔離變換器。

圖1 Rogowski線圈外形結構與工作原理圖

圖2 OCT原理框圖

2 光纖隔離變換器的設計

2.1 V/F 轉換電路

高性能的V/F轉換器件可以獲得線性度高、帶寬大、無死區(qū)等優(yōu)點，同時，壓頻轉換器(VFC)具有良好的溫度特性。它的積分特性對輸入信號有平均濾波的作用，因此抗干擾能力強。V/F轉換的主要方式有兩種:多諧振蕩式和電荷平衡式［3］。前者價格便宜，功耗低，能輸出單位占空比的方波，但是精度較低。后者的精度大大提高，缺點是輸入阻抗較低。

綜合考慮滿度輸出頻率、線性度、功耗和測量準確度的要求，選用了電荷平衡式同步型低功耗電壓/頻率轉換器AD7741，它是單通道單端同步型VFC，體積小，節(jié)省空間。AD7741的輸入信號范圍0～UREF，UREF為其參考電壓，一般取2.5 V，滿度輸入頻率為6.144 MHz，最大積分非線性誤差在輸出頻率1.35 MHz時為0.012%。

圖3為AD7741在輸入信號范圍0～UREF下的轉換特性圖。從圖中可以看出輸出頻率fout與輸入頻率fclkin和輸入電壓Uin有關，且成良好的線性關系。圖4為利用AD7741實現的V/F轉換電路原理圖。圖中用的是5 V單電源供電，輸入信號為0～2.5 V的單極性信號，REF192給AD7741提供參考電壓。由于AD7741不需要接外部電阻和外部電容來確定轉換頻率，其輸出頻率由外部晶振決定，而晶體振蕩器HA7210非常穩(wěn)定，可以保證轉換電路在溫度范圍內準確度不變，故選用其來提供1 MHz的時鐘源，所以根據圖3中的線性關系可知輸入滿量程的輸出信號頻率為450 kHz。AD7741的輸入信號必須是正信號，所以需對積分器送來的信號進行抬升即加正偏置量。

圖3 AD7741轉換特性圖

從積分器過來的輸入信號Uin通過兩個等值電阻與REF192第6腳實現信號的抬升并將信號送至AD7741的6腳，4腳接外部振蕩器，轉換后的頻率從8腳輸出。為了避免數字噪聲耦合到模擬電路中，數字地和模擬地應該分開 (圖中HA7210與REF192第 4腳接模擬地，HA7210第 6腳與AD7741第2腳接數字地)，最后在電源地線輸入端實現一點接地。

圖4 AD7741實現V/F轉換電路原理圖

2.2 E/O和O/E轉換電路

E/O、O/E轉換電路主要由驅動器、光纖發(fā)射器、光纖、光纖接收器組成。AD7741送出的頻率電流信號進入光纖發(fā)射器前須經驅動電路進行放大，得到激光器正常發(fā)光所需的驅動電流。為此，可采用DS75451M作為驅動器件，其內部電路如圖5所示。光纖收發(fā)器選用HFBR－1528、2528，其中光發(fā)射器為HFBR－1528，光接收器為HFBR－2528，圖6為光纖收發(fā)器的電路原理圖。

圖5 DS75451M內部電路

2.3 F/V轉換電路

通常沒有專用的FVC，但可以利用VFC在特定的外接電路下構成F/V轉換電路。從性能優(yōu)化的角度考慮，選用陶瓷浸漬封裝 (Cerdip)AD652，它是單片電荷平衡式VFC－AD650的改進型，最大滿度輸出頻率2 MHz。利用AD652構成的FVC的輸入頻率范圍與VFC的輸出頻率范圍相同。對于2 MHz的時鐘信號，FVC的輸入頻率范圍是0～1 MHz。更高的輸入頻率可以在輸入端加計數器分頻的方法來實現［5］。

圖7為AD652構成的F/V轉換電路連接圖。

AD652構成的FVC要求待轉換的頻率信號與系統(tǒng)的時鐘信號同步，確保時序的一致性，這樣AD652的內部數字電路才能捕捉到輸入脈沖的所有跳變，從而完成頻率到電壓的轉換。由于AD7741輸出的是正極性脈沖信號，經E/O、O/E轉換輸出后仍為正極性脈沖信號，必須經反向鉗位電路整形，將輸出脈沖經兩個JK觸發(fā)器與FVC端系統(tǒng)時鐘信號建立正確的相位關系，即可正確觸發(fā)AD652的內部比較器，以滿足FVC的+5V觸發(fā)電平、負極性脈沖信號輸入的要求。FVC的內部數字電路根據由輸入脈沖觸發(fā)的頻率開關內部的1 mA精密電流源，積分電容和內部20 kΩ電阻，不斷對1 mA電流脈沖積分，產生正比于輸入頻率的電壓輸出，從而完成頻率到電壓的轉換，輸出的電壓范圍為0～10 V。

圖6 光纖收發(fā)器電路原理圖

3 實驗結果與分析

首先為了進一步說明該光纖隔離變換器的工作原理，設計如下實驗:信號源給出模擬Rogowski線圈工頻12 mV正弦感應電壓，經過精密積分器積分后送入光線隔離變換器。圖8中 (a)為AD7741在1 MHz外部時鐘源下的輸出頻率圖，從中可以看出在時鐘信號的上跳沿觸發(fā)，說明其同步性;同時輸出頻率并非恒定值反應了正弦信號的交流特性。

圖7 F/V轉換電路接線圖

圖8中 (b)為JK觸發(fā)器輸入與輸出頻率圖，從中可以看出頻率信號經反向鉗位整形及移相。圖8中 (c)為信號源輸入電壓與AD652輸出電壓波形圖，從中可以看出該光纖隔離變換器工作特性良好。在現場實驗中，采用本文所設計的光線隔離變換器采集到的數據擬合曲線如圖9所示，從中可以看出該系統(tǒng)具有很好的線性度和精度。

圖8 12mV輸入電壓下實驗波形

圖9 現場實驗數據擬合曲線

綜上所述，本文所設計的隔離變換器轉換特性良好，工作穩(wěn)定，可靠性高，結構簡單，因此具有廣泛的應用前景。

［1］張明明，張艷，李紅斌，等.一種新型傳感結構的光纖直流傳感器 ［J］.傳感器技術，2005，24(9):21－22.

［2］朱俊杰，張曉鋒，喬鳴忠，等.基于Rogowski線圈的傳感頭研究 ［J］.海軍工程大學學報，2009，21(2):18－22.

［3］舒懷林.單片機原理與接口技術［M］.武漢:華中科技大學出版社，2004.

［4］Zhu Junjie，Zhang Xiaofeng，Qiao Mingzhong，Shen Zhe.Common－Mode Current Measurement of High Voltage Inverter Based on Rogowski Coil［C］.IPEMC －2009，Wuhan，China，2009:1604 －1608.

［5］李建偉，劉小寧，許留偉，等.高精度高電壓模擬量光線隔離變換器的實現 ［J］.自動化與儀器儀表，2002，20(6):42－44.