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(zhuǎn)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(xiàn)電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)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(diào)制的方法，對絕緣要求高、結(jié)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(shù)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(xiàn)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(zhuǎn)換結(jié)合光纖傳輸方式進行電信號隔離和傳輸?shù)墓饫w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(shù)進行分析計算。其外形結(jié)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(jīng)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(zhuǎn)換成相應的頻率信號，通過光纖發(fā)生器進行電光 (E/O)轉(zhuǎn)換成調(diào)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(jīng)光電 (O/E)轉(zhuǎn)換把光信號解調(diào)為電信號，最后利用F/V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)換電路

高性能的V/F轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)的V/F轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路在溫度范圍內(nèi)準確度不變，故選用其來提供1 MHz的時鐘源，所以根據(jù)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(zhuǎn)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(xiàn)信號的抬升并將信號送至AD7741的6腳，4腳接外部振蕩器，轉(zhuǎn)換后的頻率從8腳輸出。為了避免數(shù)字噪聲耦合到模擬電路中，數(shù)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(shù)字地)，最后在電源地線輸入端實現(xiàn)一點接地。

圖4 AD7741實現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 E/O和O/E轉(zhuǎn)換電路

E/O、O/E轉(zhuǎn)換電路主要由驅(qū)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(jīng)驅(qū)動電路進行放大，得到激光器正常發(fā)光所需的驅(qū)動電流。為此，可采用DS75451M作為驅(qū)動器件，其內(nèi)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(nèi)部電路

2.3 F/V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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，F(xiàn)VC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(shù)器分頻的方法來實現(xiàn)［5］。

圖7為AD652構成的F/V轉(zhuǎn)換電路連接圖。

AD652構成的FVC要求待轉(zhuǎn)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(nèi)部數(shù)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(zhuǎn)換。由于AD7741輸出的是正極性脈沖信號，經(jīng)E/O、O/E轉(zhuǎn)換輸出后仍為正極性脈沖信號，必須經(jīng)反向鉗位電路整形，將輸出脈沖經(jīng)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(nèi)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(nèi)部數(shù)字電路根據(jù)由輸入脈沖觸發(fā)的頻率開關內(nèi)部的1 mA精密電流源，積分電容和內(nèi)部20 kΩ電阻，不斷對1 mA電流脈沖積分，產(chǎn)生正比于輸入頻率的電壓輸出，從而完成頻率到電壓的轉(zhuǎn)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(jié)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(jīng)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(zhuǎn)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(jīng)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(xiàn)場實驗中，采用本文所設計的光線隔離變換器采集到的數(shù)據(jù)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(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)擬合曲線

綜上所述，本文所設計的隔離變換器轉(zhuǎn)換特性良好，工作穩(wěn)定，可靠性高，結(jié)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(jié)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(xiàn) ［J］.自動化與儀器儀表，2002，20(6):42－44.