高壓系統電流檢測新技術的研究及電路設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電流互感器乃是高壓側電流信號通過采樣傳感頭，將電信號傳遞給發光元件而變成光信號，再由光纖傳遞電壓側進行光電轉換變成電信號輸出。有源型光電電流互感器的方框圖如圖 21 所示。 有源型光電電流互感器可以分為兩種 ：壓頻轉換式和 A/D 轉換式。 （ 1）壓頻轉換式光電電流互感器結構框圖如圖 22所示： 采樣線圈將流過母線的電流轉化為電壓信號，通過壓頻轉換電路，即 V/F轉換部分，經過 V/F 轉換后電壓的變化將轉換為脈沖頻率的變化。電脈沖信號經過電光變換器件（ E/O 變換）后，變為光信號，經過光纖傳到低壓端，低壓端的光電轉換器件（ O/E 轉換）將光信號還原成電信號，再經過頻壓轉換電路即 F/V轉換部分通過信號處理單元最后進行顯示。 壓頻式光纖電流互感器的主要優點是： （ 1）結構簡單 （ 2）精確度抗干擾性能比較高 （ 3）比較適合信號源距離傳輸 采用壓頻變換的方法可以減少低壓端和高壓端之間連接光線的數量。目前的集成 V/F 和 F/V 變換電路，比如 Analog Device 公司的 ADVFC32 芯片能夠通過引腳連接方式不同實現 V/F 變換或者用于 F/V 變換，精確度也不錯（再 10KHz 的條件下最大的誤差為 %）。但是該芯片正常工作功耗比較大（ 25mA 左右），這將需要更大的功率來支持高壓側電子線路的工作，勢必帶來高壓側電源設計的復雜性，同時使整個系統的起始工作的最小電力母線電流變大，減小了系統的測量范圍。 （ 2） A/D 轉換式 光電電流互感器 A/D 轉換式光電電流互感器的結構框圖如圖 23 所示： 整個系統分為高壓子系統和低壓子系統兩個部分。兩個系統用光纖連接起來，高壓子系統包括傳統線圈、積分電路、高壓端供電電源、 A/D 轉換器、時序協調電路和 E/O、 O/E 轉換器。低壓子系統包括 O/E、 E/O 轉換器、 D/A 轉換器時序發生電路和信號處理電路。 在高壓子系統中才用傳統線圈取得電流信號送入電子轉換電路中，電子轉換電路將這一正弦電流信號調制為數字脈沖信號，再驅動發光元件轉換成光信號，通過光纖光信號就被傳送到地面監控室中。在低壓子系統將接受 到的光信號反變換成電信號，經過放大送入儀器儀表。 A/D 轉換式光電電流互感器的主要優點是： （ 1）目前 A/D、 D/A 轉換器的轉換精度很高，可以通過尋用合適的 A/D 轉換器來滿足系統對精確度的要求。 （ 2）高壓部分的功耗較小 （ 3）低壓端具有模擬信號和數字信號兩種輸出，與光通信系統兼容，給未來的電力通信帶來良機。 有源型光電電流互感器優點是長期穩定性好，在現代電子器件可靠行高、性能穩定的條件下易于實現精度高、輸出大的實用型產品。 有源型光電電流互感器的技術難點是： （ 1） 傳感頭去信號繞組的制作。 （ 2） 積分器的設計。 （ 3） 供電電源的設計。 無源型 所謂無源型光電電流互感器乃是傳感頭部分不需要供電電源，傳感頭一般基于法拉第效應原理，即磁滯光旋轉效應，當一束線偏振光通過放置在磁場中的法拉第旋光材料后，若磁場方向與光的傳播方向平行，則出射線偏振光的偏振平面將產生旋轉，即電流信號產生的磁場信號對偏振光波進行調制。無源型光電電流傳感器系統框圖如圖 24 所示： 無源型結構今年來比較盛行。其優點是結構簡單，且完全消除了傳統的電磁感應元件無磁飽和問題，充分發揮了光電互感器的特點，尤其是在高壓側不需要電源器件使高壓側設計 簡單化，互感器運行壽命有保證。其缺點是光學器件制造難度大，測量的高精度不容易達到，尤其是此種電流互感器受費爾德（ Verdet）常數和線性雙折射影響嚴重，而且前尚沒有更好的方法能解決 Verdet 常數隨溫度變化和系統的線性雙折射問題，所以很難實現高精度測量。 全光纖型光電電流互感器實際上也是無源型的，只是傳感頭即是光纖本身（而無源型光電電流互感器的傳感頭一般是磁光晶體，不同于全光纖型的傳感器是特殊繞制的光纖傳感頭），其余與無源型完全一樣。其系統框圖如圖 25 所示： 全光纖型光電電流互感器的優點是傳感頭結 構最簡單，比無源的容易制造，精度和壽命與可靠性比無源型要高。但是光纖技術現在還沒有達到用于互感器環境的要求，傳感光纖對環境具有十分敏感的線性雙折射現象，影響測量精度及穩定性。雖然有的提出了校正時的數值。此后采用一種螺旋型光纖結構顯著地降低了光纖雙折射，但是此螺旋光纖會逐漸變質難以長期使用。另外光纖材料的費爾德常數不夠大且隨溫度變化較大，也影響測量的準確性。在實現掛網過程中還存在長期穩定性的問題，因此在實際掛網之前需要更深入的研究。 整體設計方案 綜合 節，因為有源型光電電流互感器的制作難點在電子學 上易于克服，而無源型光電電流互感器的雙折射現象及費爾德常數問題目前還沒有找到解決的途徑，因此本文決定采用有源型光電電流互感器作為本文設計的目標。 有源型光電電流互感器中，基于 V/F 變換的電流互感器需要非常大的電源來驅動 V/F 變換，而目前所設計的電源很難達到要求，因此本文決定采用 A/D轉換式光電電流互感器。 高壓側電路主要有傳統線圈、過濾器、 A/D 轉換等，在互感器低壓側，靈活的電路設計，除了從光數字信號中恢復出數字電流信號外，還可以通過數字信號電路的處理，便于與微機保護裝置、計算機測量和控 制裝置及其它數字儀表進行通信和電流數字信號的傳送，也可以輸出模擬電流信號，以便與傳統的儀器儀表對接，利用數字信號處理電路還可以組成光電式電壓和電流的復合式互感器，以及將保護和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向發展。 本章小結 本章系統而簡明的介紹了光電電流互感器的概念和分類，并給出了本文設計的總方案。 第三章光電電流互感器供能方案的研究 系統供能電源設計基本原理 供能電源是電子電路工作的基本保障。隨著電子電路日趨集成化和節能化，電源技術也在不斷地發展。實際上，電源電 路的設計已經成為電路設計中關鍵的一環。電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發展，電源技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。它對現代通訊、電子儀器、計算機、工業自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵的作用。 高壓側電源系統的基本性能指標 安全、穩定、可靠地運行是電子式電流互感器應該 達到的基本要求，同時，這也是對電子式電流互感器高壓側電源系統的最基本要求，因為電源使正常工作的必要條件。除了這些要求外，電子式電流互感器高壓側的電源系統還應具備以下性能指標： （ 1） 一定的輸出功率 （ 2） 較短的啟動時間 （ 3） 較小的啟動電流或電壓 （ 4） 輸出電壓質量好和自身功耗低 （ 5） 極端情況下的防護能力 目前可行的供能方案的分析 目前可行的供能方案主要有母線電流取能供電、電容電流取能供電、激光供電、太陽能供電、蓄電池供電等。 母線電流取能供電 母線電流取能供電是利用電磁感應原理，由普通鐵磁式互感器從高壓母線上感應得到交流電電能，然后經過整流濾波、穩壓后為高壓側電路供電。其供電的能量來自高壓母線電流，取能是通過一個套在母線上的磁感應線圈來完成的，母線環周圍存在磁場，通過磁場來獲取能量。 此功能方式體積小、結構緊湊、絕緣封裝簡單、使用安全；供電比較可靠、成本低。設計難點在于電力系統負荷變化很大，母線電流隨之變化很大，母線短路瞬時電流可超過十倍額定電流，因此磁感應線圈必須同時兼顧最小、最大兩種極限條件，設計一是要盡量降低死區電流，保證在電力系統電流很小時能夠提供足以驅動處于高壓側電子電路的功率，二是當系統出現短路大 電流時，能吸收多余的能量，給電子線路一個穩定的電源，其本身也不會因過電壓而損壞。 電容電流取能供電 由于系統電壓在系統運行過程中的變化范圍較母線電流要小得多，所以對高壓側電源的設計可以考慮通過高壓母線環周圍存在