利用激光供電的光電電流互感器

2019-11-03 09:57:02

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顏研　張濤　申燭　王士敏　羅承沐等　　摘要：本文論述了一種用激光供電的混合式光電電流互感器（EOCT），它的額定電壓為220KV，額定電流為1200A。本文對這種混合式電流互感器的原理、樣機的結構方案進行了研究，并進行了系統整體測試。

　　敘詞：激光供電　電流互感器　電磁干擾　自動溫度干擾

　　1　引言

　　電流互感器是電力系統中最重要的高壓設備之一。它被廣泛地應用于繼電保護、系統監測、電力系統分析之中。隨著現代電力系統的發展，尤其是電網輸電壓電壓等級的提高，迫切需要優質價廉的新型傳感器代替傳統的電磁式電流互感器。國外在20世紀60年代初就開始了光學電流互感器的研究，由于光纖技術和傳感器技術的發展，目前光纖電流互感器的研制開發已日趨成熟和完善，和傳統的電磁式電流互感器相比，它具有以下優點：

　　（1）無絕緣油，不會有安全隱患；

　　（2）沒有磁飽和現象；

　　（3）無鐵芯，因此沒有鐵磁共振和磁滯效應；

　　（4）測量帶寬和精度可以達到很高；

　　（5）體積小，重量輕，造價低廉。

　　光學電流互感器分為無源型和有源型兩種。無源型電流互感器以利用法拉第磁光效應的裝置為主，它的最大困難是其本身的光學系統折射效應隨環境因素而變化，光學傳感頭中存在著各種形式的雙折射，影響了整個系統的精度和穩定性。而有源型電流互感器在高壓部分沒有采用特殊的功能性光纖和其他光學元件，只是使用了有源電子電路，因此這種電源互感器容易實現并且有長期的穩定性和高的可靠性。但是，電源供給問題卻影響了混合型電流互感器的更大范圍應用。為此，本文采用了光電池作為系統的電源。光電池的能量由大功率半導體激光二極管發射的808nm波長激光提供。目前，ABB,RITZ公司有類似的產品，額定電壓72-765kV，額定電流50-4000A。

　　2系統的組成和工作原理

　　2.1系統電源電路

　　電源供應部分是系統的核心部分之一，由于這種光電式電流互感器的傳感頭安裝在高電位側，并且完全是由電子線路構成的，因此必須有相應的電源提供給傳感頭的電子線路。在圖1所示系統框圖中，激光器、光電轉換器和DC-DC變換器構成了系統的電源供應部分，其中，位于低電位側的激光器將光能量通過光纖傳遞到傳感頭部分的光電轉換器中，光電轉換器的輸出經過兩組DC-DC變換器后，產生5V和±12V兩組電源輸出提供給后級的電子線路。

　　在光電池電源系統里，激光二極管（LD）作為光源，提供驅動電池（PD）的光功率，根據系統總功率需要選用合適的光功率和輸出效率的激光二極管后，可以非常滿意的得到光電池的恒定功率和電壓輸出。

　　1.光電池

　　實際應用中需要注意的一點是，因為光電池是非線形器件，存在最大功率點和阻抗匹配問題，需要設計匹配的DC-DC轉換電路使光電池進入大功率電壓區工作，本文設計了一種自舉電路，可以較好地解決這一問題，能使光電池穩定工作在5V，220mV的工作點上。

　　圖2為光電池電源系統測試線路圖。通過改變LD的驅動電流來調節光電池的輸出功率，可以得出圖3，從而看出在不同的光功率輸入下，光電池在不同的區配電阻上輸出不同的最大電功率，在不計傳輸損耗的情況下，其輸出最大電功率為LD輸出光功率與LD轉換效率和PD轉換效率的乘積。

　　圖3(a)中，光電池工作點為44mA、5.0V，輸出最大功率為220mW，匹配電阻為111Ω。圖3(b)中，光電池工作點為20mA、5.8V，輸出最大功率為116mW，匹配電阻為290Ω。

　　2.激光二極管（LD）的驅動

　　LD的發光波長和輸出功率都隨溫度而變化，如不采取措施，將影響系統的穩定性。為此本文采取了半導體致冷技術，使用了帕耳貼致冷器設計了自動溫度控制電路，使LD工作在20℃左右的條件下，輸出恒定光功率。控制電路原理如圖4所示。電路中，R1,R2,R3和Rt構成溫度敏感電橋，在R1=R3的情況下，選取不同的R2的值可以設定不同的基準溫度，以保證LD正常工作溫度，滿足系統的要求。

　　熱平衡時，制冷器控制熱敏電阻的溫度，從而使得Rt=R2，V1=V2，電橋處于平衡狀態，差放電路輸出V3=0，因此比例－微分－積分（PLD）電路輸出恒定的電壓值，使制冷器提到一恒定的電流，用于補償LD注入電流引起的熱沉溫度的升高，從而保持激光器芯片溫度的恒定。當熱敏電阻探測到熱沉溫度升高時，Rt下降，感溫電橋平衡狀態被打破，給出一誤差信號（V1-V2），該誤差信號經放大后引起PTD電路輸出電壓Vout上升，制冷電流增大，從而使熱沉溫度下降，RT升高直至V2=V1，電橋恢復平衡，LD也恢復到原來的溫度。同理，當LD溫度下降時，控制電路會減小制冷電流以保持LD工作于設定溫度，在LD溫度很低時，控制電路可以通過PNP管提供反向加熱電流，提高LD熱沉的溫度，使LD恢復正常的工作狀態。

　　3.LD保護

　　LD是低壓工作器件，容易受到靜電或電流變化的影響而損壞。為了系統工作可靠性得到提高，需要設計LD驅動保護電路，主要包括限流、防止電流沖擊、恒流驅動等主要部分。另外，必須設計專門的LD驅動電源，以實現激光管驅動電流的緩升緩降要求。如圖5所示是LD電流驅動源。C1和L1用來抑制電流的快慢，以防止毛刺電流的產生；D1正常供電時不工作，但在突然斷電時給流經L1的電流提供一個泄放途徑，避免因L1的感性而產生瞬時高壓；Z1和Z2限制了LD兩端的電壓為0.7－5V，主要用于關機后LD的靜電防護。因穩壓管易壞，這里將兩個并聯使用以增加系統的可靠性。

　　2.2高電位側的傳感頭

　　傳感頭的主要作用是將電流信號通過采樣線圈轉換成為電壓信號，并通過多路信號A/D采樣系統將電壓信號轉變成數字信號，通過發光二極管（LED）將時鐘和數據信號通過光纖傳遞給低電位側的信號接收部分。

　　A/D轉換電路是整個傳感頭電路的核心部分，由于傳感頭的特殊要求，A/D轉換芯片應該具有以下基本特征：微功耗，采樣率足夠高、串行A/D轉換，電壓雙極性輸入，高分辨率。綜合上面考慮后，本文采用的是AD公司出口的芯片。

　　在圖6中，芯片REF43是一種高精確度的2.5V電壓基準源，它的主要作用是提供給A/D轉換芯片2.5V的基準電壓。這種芯片的最大功耗僅為20mW，轉換時間為3.8ps，是完全符合本系統的功耗要求的。

　　2.3地面低電位介的信號處理

　　低電位側的信號處理部分可以分為模擬通道和數字通道兩個部分。從高電位側傳遞下來的兩路串行數字信號（時鐘和數據信號）經過放大整形電路的處理以后，在邏輯控制電路的作用下，將四種采樣信號（計量用電流信號、保護用電流信號、電源電壓監測信號和傳感頭的溫度信號）分開，經過D/A轉換器還原成為模擬信號。同時，經過PC機信號采集卡將數字信號采集到計算機里進行數據分析和處理。圖7所示為典型一路D/A轉換電路。

　　3系統測試結果及誤差分析

　　3.1系統測試

　　（1）高電壓端采集板部分數據測試。該部分四路A/D轉換典型測量值如下：

　　（2）系統采集數據總體測試。系統測試數據總體上可以分為比差測量和角差測量兩個部分。可以得到混合式光纖電流互感器輸入－輸出比差和角差曲線。圖8所示為比差曲線，圖9所示為角差曲線。

　　3.2系統測量誤差分析

　　（1）測量誤差：這部分誤差主要由信號發生誤差和示波器讀數誤差組成；

　　（2）標定誤差；

　　（3）器件工作的不穩定性；

　　（4）電源系統引起的干擾誤差：系統電路由于采用大量數字電路，電源受到數字干擾影響，這些干擾會影響D/A轉換的精確度，從而產生誤差。

　　4　結語

　　（1）根據設計的整體結構，采用激光管提供能量的方式，將激光能量提供給高電位側的光電轉換器件，并通過兩組DC-DC變換器件提供給傳感頭穩定的電源供應。這種電源提供方式能夠提供大約200mW的總功率輸出，可以滿足傳感器頭部電子電路的功耗要求。

　　（2）設計并實現了系統的傳感頭部分電子線路。

　　（3）設計并實現了光接收機的模擬通道的電子線路。

　　（4）設計了PC機的接口板電路，通過并行接口芯片以及其他的外圍控制電路，用軟件讀取傳感頭采集的數字信號，并進行數據的處理。

　　（5）本系統經實驗室測試，比差可達到0.5%，角差達到30分左右。

　　摘自《電源世界》2001.5

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