光電式電流互感器設(shè)計(jì)

閔家新 何淼 閆順 王遠(yuǎn)航 劉美璇

摘 要：目前，我國(guó)電力行業(yè)大多使用傳統(tǒng)的電磁式電流互感器存在許多問(wèn)題，如絕緣性不好、成本高、體積大，已經(jīng)不能滿足新的發(fā)展需求。本文首先分析光電式電流互感器的工作原理，然后選擇光電式電流互感器的類(lèi)型和供電方案，最終設(shè)計(jì)了一款以Rogowski線圈和V/F變換為基礎(chǔ)的光電式電流互感器。

關(guān)鍵詞：光電式電流互感器;VFC;激光光纖供能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM452.93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）01-0035-03

Abstract： At present， most of China's electric power industry uses traditional electromagnetic current transformers. There are many problems， such as poor insulation， high cost， and large volume， which can no longer meet new development needs. This paper first analyzed the working principle of the photoelectric current transformer， then selected the type and power supply scheme of the photoelectric current transformer， and finally designed a photoelectric current transformer based on Rogowski coil and V/F transformation.

Keywords： photoelectric current transformer;VFC;laser energy supply

1 光電式電流互感器的工作原理

光電混合式電流互感器工作原理如圖1所示。在對(duì)高壓電流進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，傳感頭（Rogowski線圈）感應(yīng)被測(cè)電流，并形成與之相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。然后，借助高壓側(cè)信號(hào)處理電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光脈沖信號(hào)，然后利用光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)向低壓側(cè)傳輸。通過(guò)光脈沖的方式傳輸檢測(cè)系統(tǒng)，能為光纖提供便利，同時(shí)也能提升系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。由于高壓側(cè)電路通過(guò)電子器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此必須要具備穩(wěn)定的供電電源。光纖在傳輸高壓側(cè)和低壓側(cè)電路數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能傳輸光功率，為高壓側(cè)電路提供必要的電源[1-3]。

2 光電式電流互感器的類(lèi)型選擇

若以信號(hào)采樣方式、高壓側(cè)信號(hào)處理模式為劃分依據(jù)，可將光電式電流互感器劃分為以下3種類(lèi)型。

2.1 調(diào)幅式

調(diào)幅式光電式電流互感器的工作原理為：傳感頭對(duì)被測(cè)電流進(jìn)行感應(yīng)并輸出電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行E/O轉(zhuǎn)換后，可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M光信號(hào)，然后由低壓側(cè)對(duì)模擬光信號(hào)進(jìn)行O/E轉(zhuǎn)換，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)濾波和放大，最后利用解調(diào)器實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流的還原。

調(diào)幅式光電電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。但是，在進(jìn)行E/O轉(zhuǎn)換和O/E轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)功率不穩(wěn)定的問(wèn)題，且借助光纖信號(hào)傳輸電路向低壓側(cè)傳輸?shù)哪M光信號(hào)抵御外界干擾的能力較差，由此破壞系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，在實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中面臨諸多障礙[4]。

2.2 ADC式

傳感頭被測(cè)電路進(jìn)行感應(yīng)并輸出電壓信號(hào)后，借助積分器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的積分處理，并完成A/D轉(zhuǎn)換，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號(hào)。然后完成E/O轉(zhuǎn)換，將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字光信號(hào)，并通過(guò)光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)向低壓側(cè)傳輸，繼續(xù)進(jìn)行O/E轉(zhuǎn)換、濾波放大和D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流信號(hào)的還原。ADC式光電電流互感器的測(cè)量功能，以采樣周期符合采樣定理為基礎(chǔ)，具有轉(zhuǎn)換精度高、反應(yīng)速度快、功率消耗低等優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí)，ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在嚴(yán)重的時(shí)序不同步問(wèn)題，必須在系統(tǒng)中添加時(shí)序控制電路，實(shí)現(xiàn)向高壓側(cè)傳輸時(shí)鐘信號(hào)的效果。此時(shí)，需要引入雙光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)，一根光纖用于傳輸數(shù)字光信號(hào)，另一根光纖用于傳輸時(shí)鐘信號(hào)，而這會(huì)加劇系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，隨之提升系統(tǒng)的功率消耗[5]。

2.3 VFC式

傳感頭對(duì)輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)后，借助信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波和放大，并利用壓頻轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號(hào)。此時(shí)，頻率脈沖信號(hào)對(duì)LED產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，促使LED導(dǎo)通亮起并由此轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)，然后再借助光纖向低壓側(cè)傳輸。由低壓側(cè)對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行O/E轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，由單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)，獲取被測(cè)電流的數(shù)字輸出信號(hào)，或利用壓頻專(zhuān)戶(hù)F/V，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的還原。對(duì)比ADC模式來(lái)看，VFC模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)或多路信號(hào)傳輸系統(tǒng)中具有良好的運(yùn)用價(jià)值[6]。綜上所述，最終選擇構(gòu)建VFC式光電電流互感器系統(tǒng)。

3 供電方案的選擇

3.1 蓄電池供電

蓄電池供電是指在高壓母線上安裝交流電源，借助分壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓電流的濾波、整流，并由此達(dá)到為蓄電池充電的效果。這樣一來(lái)，蓄電池即可為轉(zhuǎn)換探頭提供穩(wěn)定的電源。蓄電池供電的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)難度低、成本低，但也存在使用壽命短、安全隱患多等缺陷。

3.2 太陽(yáng)能供電

太陽(yáng)能供電主要是利用光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)能電池作為轉(zhuǎn)換探頭的電源來(lái)源。與其他供電模式相比，太陽(yáng)能供電由于受到晝夜交替、天氣變化、光照強(qiáng)度等外界環(huán)境的干擾，因此其輸出的電源并不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換功率也難以取得理想的效果，在實(shí)際運(yùn)用中受到阻礙，推廣范圍相當(dāng)有限。

3.3 輸電線CT取電

輸電線CT取電是指將含有鐵芯的線圈安裝到高壓母線上，借助線圈來(lái)感應(yīng)高壓母線電流，并輸出響應(yīng)的感應(yīng)電流信號(hào)，然后借助整流、濾波等，為轉(zhuǎn)換探頭提供穩(wěn)定的電源。與其他供電方式對(duì)比，輸電線CT取電對(duì)元件絕緣性能的要求較低，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，但也存在如下缺陷：若母線電流為空載狀態(tài)時(shí)，無(wú)法為轉(zhuǎn)換探頭提供穩(wěn)定電流;若母線電流大于額定電流或電路電流，必須在電路中添加保護(hù)機(jī)制，否則會(huì)燒毀后續(xù)電路，破壞系統(tǒng)的安全性能[7]。

3.4 激光光纖供能

激光光纖供能以低壓側(cè)的半導(dǎo)體激光器為關(guān)鍵元件，其所發(fā)射的光信號(hào)借助光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)向高壓側(cè)電流傳輸，在光電轉(zhuǎn)換器的作用下，從光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換，為高壓側(cè)測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。激光光纖供能具有供能穩(wěn)定、不受外界環(huán)境干擾、實(shí)現(xiàn)電氣隔離等優(yōu)勢(shì)。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率激光器的壽命持續(xù)延長(zhǎng)，性能也得到充分改善，這為激光光纖供能作為光電式電流互感器供能方式創(chuàng)造了良好的條件。

對(duì)比以上幾種不同的供能方式可知，激光光纖供能具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，符合高壓側(cè)電子線路對(duì)供電系統(tǒng)的需求。鑒于此，此次設(shè)計(jì)將光電式電流互感器的供電方式明確為激光光纖供能。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

以Rogowski線圈為基礎(chǔ)的光電式電流互感器包含5個(gè)重要部分，分別為傳感頭、高壓側(cè)信號(hào)處理電路、光纖信號(hào)傳輸電路、低壓側(cè)信號(hào)處理電路以及激光光纖供能電路。基于Rogowski線圈和V/F轉(zhuǎn)換的光電式電流互感器如圖2所示。

從高壓側(cè)部分來(lái)看，Rogowski線圈的傳感頭會(huì)感應(yīng)流過(guò)被測(cè)高壓母線的電流，并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后借助有源器件對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行處理;從信號(hào)傳輸部分來(lái)看，高壓側(cè)向光纖信號(hào)傳輸電路輸送耦合形式的數(shù)字光脈沖信號(hào)，由光纖信號(hào)傳輸電路以數(shù)字光脈沖信號(hào)的形式向低壓側(cè)電路傳輸;從低壓側(cè)信號(hào)處理部分來(lái)看，低壓側(cè)在接收到來(lái)自光纖信號(hào)電路所傳輸?shù)臄?shù)字光脈沖信號(hào)后，借助O/E轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電流信號(hào)的還原，最終獲得電流幅值;從供電部分來(lái)看，將激光作為電源，由光纖輸送電力，借助大功率激光器取得電能后，利用光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)向高壓側(cè)傳輸電源，并在光電池的作用下將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，最后?zhí)行DC-DC變換。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)選擇電流互感器的類(lèi)型和供電方案，設(shè)計(jì)了一款以Rogowski線圈和V/F變換為基礎(chǔ)的光電式電流互感器。在該互感器系統(tǒng)中，光能來(lái)源于激光電源，借助耦合向光纖傳輸光電，并利用光纖向高壓側(cè)傳輸電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)換探頭的供電，為電子線路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。

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