（电机与电器专业论文）电子式电流互感器的组合式电源系统.pdf

电子式电流互感器的组合式电源系统 c o m b i n e dp o w e rs u p p l ys y s t e mf o re l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r a b s t r a e l ： c u r r e n tt r a n s f o r m e r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ea sak i n do fh i g h - v o l t a g ee q u i p m e n ti n p o w e rs y s t e m i ti sa p p l i e di nt h er e l a yp r o t e c t i o n , s y s t e mm e t e r i n ga n da n a l y s i so fp o w e r s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mt o w a r d sh i g h e rv o l t a g e ，h i g h e rc a p a c i t ya n d d i g i t i z a t i o n , i ti sd i f f e r e n tf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r st ok e e pu pw i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt or e s e a r c han e w k i n do f c u r r e n tt r a n s f o r m e rf o rh i s ha c c u r a c ym e a s u r e m e n ts u c h 嬲e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( e c t ) w h i c hb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o na n dd s p p o w e rs u p p l y f o rt h o s ea c t i v ee l e c t r o n i cd e m e n t sa tt h e1 1 i 曲一v o l t a g ep a r ti sak e yt e c h n i q u ei nh i g he c t s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ra th o m ea n da b r o a di s d e s c r i b e d a n dt h er e a l i z e de c tp o w e rs u p p l ys c h e m e sa r es u m m a r i z e d b a s e do l lt h e c h a r a c t e r i s t i c so fe c tw h i c hi sd e v e l o p e di no u rl a b o r a t o r y ，an e wp o w e rs u p p l ys y s t e m c o m b i n e dw i 也t h es e l f - s u p p l y i n gp o w e rs o u r c ea n dt h eo p t i c a li ne c ti sp r o p o s e d f i r s t l y , a no p t i c a lp o w e rs u p p l yw i t hd i g i t a lc i r c u i tt e c h n o l o g yf o rh i 豇v o l t a g ee c t d e s i g n e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi n c l u d e st h ed r i v i n g ，p r o t e c t i n ga n dt h e r m a l c o n t r o l l i n gc i r c u i t o fh i g hp o w e rl a s e rw i t hm c um s p 4 3 0 ，t h ei n p u ta n dd i s p l a yc i r c u i t ，a n dv o l t a g ec o n v e r t e r o nh i 曲一v o l t a g et e r m i n a l a f t e rt h eo p t i c a lb a t t e r yt r a n s f e r st h el i g h tp o w e rt oe l e c t r o n i c p o w e rt h a tg e n e r a t eb yl a s e rs o u r c e ，t h e s e n s o ro fe c tc a r lb es u p p l i e dw e l l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ta + 6 vv o l t a g ea n dm o r et h a n3 0 0 r o wp o w e ri ss u p p l i e d s e c o n d l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sad e s i g no fp o w e rs u p p l ys o u r c ea p p l i e df o re l e c t r o n i c s y s t e mi nh i g hv o l t a g e t h ee n e r g yi s o b t a i n e dd i r e c t l yf r o mt h ep o w e rl i n eb ys o m e t a i l o r - m a d ec u r r e n tt r a n s f o r m e r ( c d b ys e t t i n ga ni n d u c t a n c ei ns e r i e sw i mt h ec ta n dt h e r e c t i f i e rb r i d g e ，t h ev o l t a g eo nt h er e c t i f i e ri sr e d u c e dt ot h ea c c e p t a b l el e v e la n dt h eo u t p u t c u r r e n tf r o mt h ec ti sa l s ol i m i t e dt ov e r ys m a l l t h u s ，t h ei n d u c t a n c eh e l p st os t e a d yt h e v o l t a g ea n dp r o t e c tt h ef o l l o wc i r c u i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta + 5 vv o l t a g ei s s u p p l i e d ，w h o s er i p p l ei sl e s st h a n2 5 m v f i n a l l y , ap o w e rs u p p l yi sp r o p o s e dw h i c hi sc o m b i n e do ft h es e l f - s u p p l y i n gp o w e r s o u r c ea n dt h eo p t i c a l ，a n dt h es w i t c ht e c h n i q u eb e t w e e nt h et w os u p p l i e si sp r o v i d e di nt h e p a p e r t h ed e a da r e ai sg o tr i do fi nt h es e l f - s u p p l y i n gc tp o w e rs o u r c ea n dt h el i f e t i m eo f t h eo p t i c a lp o w e rs u p p l yi si m p r o v e d 一h 一 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c sc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；o p t i c a lp o w e rs u p p l y ；m s p 4 3 0 ； s e l f - s u p p l y i n gc tp o w e rs o u r c e ；c o m b i n e dp o w e rs u p p l y - i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：亚揸日期：盈篮益! 丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名丑选 导师签名：皇军翟，丝 翌星年么月_ ! 生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1本课题的选题背景及其研究意义 电流互感器是电力系统一次系统和二次系统联系的纽带，主要用于电力系统基本参 数的测量，同时为电力系统的计量、保护与监控单元提供信号【1 】。传统的电流互感器是 电磁感应式的，在正常条件下使用时，电流互感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组 经负荷( 测量仪表和继电器) 闭合，并保证通过的负荷电流与一次绕组的电流成正比。 这样，通过测量二次绕组电流，便可以方便地计算出一次绕组中电流的大小。近年来， 随着电力生产、电力传输系统容量的增加，电网运行的电压等级不断提高，建造数字化 变电站已成为变电站自动化技术的发展趋势。数字化变电站要求电流互感器互感器具有 数字量的输出信号，而传统的电磁式电流互感器己难以满足电力系统进一步发展的需 要，并暴露出一系列严重的缺点：固有的磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄、 制造工艺的复杂性、可靠性及造价等。因此，有必要寻求更为理想的新型电流互感器， 以代替传统式电磁电流互感器。 自二十世纪六十年代以来，人们一直在寻求一种安全、可靠、理论完善、性能优良 的新方法来实现大电流的测量。现阶段受到重视的是电子式电流互感器( e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s d u c e r , e c t ) ，它能有效地克服传统电磁式互感器所固有的缺点。目前，国 内外很多科研机构和高校的研究人员正致力于电子式电流互感器的研究。随着计算机技 术、现代传感技术、光纤技术和电子技术的发展，电子式电流互感器的研制和开发已日 趋成熟和完善。 根据供电与否，电子式电流互感器可分为两大类： ( 1 ) 无源型电子式电流互感器是传感头部分不需要供电电源，以光学元件作为电流 传感头，多采用法拉第( f a r a d a y ) 磁光效应、磁致伸缩效应、自然旋光效应或光干涉原 理来实现电流的测量。基于磁致伸缩效应的电子式电流互感器在一段时间内曾受到相当 的重视，但由于该方法受光学元件本身长期稳定性和可靠性以及外界干扰等因素制约比 较严重，发展缓慢。现今研究得最多的是基于法拉第磁光效应原理的无源型电子式电流 互感器【6 1 。当一束线偏振光通过放置在磁场中的法拉第旋光材料后，若磁场方向与光的 传播方向平行，则出射线偏振光的偏振平面将产生旋转，即电流信号产生的磁场信号对 偏振光波进行了调制。无源型电子式电流互感器系统如图1 1 所示： 电子式电流互感器的组合式电源系统 磁场 = = = = 图1 1 无源型电子式电流互感器原理图 f i g 1 1 t h ed i a g r a mo fap a s s i v ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r 无源型电子式电流互感器的优点在于其去除了传统的电磁感应元件，玩磁饱和问 题，传感头无需电源供应；但是这种互感器在技术上与光学材料的选择有密切的关系， 光学材料在外界环境的温度、压力等参数变换的情况下的稳定性是一个技术上难以解决 的问题19 1 。 ( 2 ) 有源型电子式电流互感器是将高压侧电流信号通过采样传感头将电信号传递 给发光元件而变成光信号，再由光纤传递到低压侧，进行光电变换成电信号后输出。作 为一次电流采样传感头的元件有很多种，有传统的电磁式电流互感器、特别设计的小信 号电流互感器、电阻分流器、罗柯夫斯基( r o g o w s l d ) 线圈等。其中基于r o g o w s k i 线 圈的e c t 是最具发展潜力的电子式电流互感器产品。有源型电子式电流互感器的结构 框图如图1 2 所示【5 , 6 , 1 2 , 1 9 】： i 低电压侧 ； 图1 2 有源型电子式电流互感器原理图 f 远1 2 t h ed i a g r a mo fa na c t i v ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r 大连理工大学硕士学位论文 有源型电子式电流互感器采样精确度比较高，结构更加简单，容易和计算机实现直 接通信。由于采用的传感器技术比较成熟、运行经验多，具有实用化优势。 总的说来，与传统电磁式电流互感器相比，电子式电流互感器具有以下优点： ( 1 ) 没有磁饱和、铁磁谐振等问题由于电磁式电流互感器采用铁芯式线圈作传感头， 不可避免地存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问题，而电子式电流互感器的传感头采 用的是磁光玻璃、光纤或电子线路，因而不存在这些问题。 ( 2 ) 绝缘结构简单、绝缘性能好因为电子式电流互感器采用光纤和比较轻便的绝缘 子支柱，因此其绝缘结构比较简单，绝缘性能好。 ( 3 ) 动态测量范围大、测量精度高电子式电流互感器有很宽的动态范围，测量额定 电流的范围从几安培到几千安培【5 】，过电流范围可达几万安培。一个电子式电流互感器 可同时满足计量和继电保护的需要，从而避免了多个电流互感器的冗余问题。 ( 4 ) 抗电磁干扰性能好、低压侧无开路高压危险由于电子式电流互感器的高压侧与 低压侧之间只存在光纤的联系，而光纤具有良好的绝缘性能，可保证高压回路与二次回 路在电气上完全隔离，因此低压侧没有因开路而产生高压的危险，而且避免了电磁干扰 的影响。 ( 5 ) 频率响应范围宽电子式电流互感器实际能测量的频率范围主要取决于电子线路 部分，这种电流互感器已被证明可以测出高压电力线路上的谐波，还可进行暂态电流、 高频大电流与直流电流的测量【6 】。 ( 6 ) 体积小、重量轻电子式电流互感器给运输和安装带来较大的方便，还可测量电 网中不同地点的电流。 ( 7 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆等危险电子式电流互感器采用光纤绝缘而不采 用油绝缘，在结构设计上就可以避免这方面的危险。 ( 8 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流根据目前的数字化 继电保护的需要，电流互感器应该能提供数字化的电流信号。电子式电流互感器与电磁 式相比更容易实现这些功能，可以广泛地应用于电流测量、继电保护和高频分析等各个 方面。 除以上优点外，当然电子式电流互感器也有其自身的技术难点： 首先，由于电子式电流互感器运行温度在较大范围内变动，传感头对温度和振动比 较敏感。为了保证高精确度、稳定性和可靠性，互感器模拟信号处理部分的电路将比较 复杂，特别是低电位侧的电子线路尤为突出。 其次，对于有源型电子式电流互感器而言，传感头主要是由电子线路组成，因此必 须要对电子线路提供可靠的供电电源。如果电源供应不稳定，将大大地影响到系统精度。 - 3 一 电子式电流互感器的组合式电源系统 第三，由于供电电源所能提供的能量有限，所以高压侧电子电路的功耗不能太大。 这样，如何简化传感头的电子线路，实现低功耗设计就成为另一个难点问题。 虽然电子式电流互感器存在这些技术难点，但是随着相关技术的发展，这些技术难 点会逐渐得到解决。电子式电流互感器作为传统电磁式电流互感器的理想替代产品凭借 着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，必将在将来的电力系统中得以广泛的应用【5 】 1 2 国内外电子式互感器的研究现状 随着电子学的发展和成熟，国内外很多大学和研究机构开始投入精力研究电子式电 流互感器。发展到现在，已经取得了很大的进步【1 卅6 1 。 自上世纪6 0 年代光电式电流互感器兴起以来，已经历了近半个世纪，这期间各个 国家做了许多研究工作。早期以基于光学效应的光电式电流互感器( o c t ) 的研究居多。 到2 0 0 0 年为止，德国a b b 公司已经研制出可用于6 9 k v 到7 6 5 k v 电压等级的光电式电 流互感器，测量范围为5 a ，也1 a ，准确度达0 2 级；美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年 左右成立了o c t 专题研究小组，而且研制成功了1 6 1 k v 独立式o c t ；法国的a l s t o m 公司利用f a r a d a y 效应研制了一套电子式电流互感器，在3 0 - 5 0 的范围内准确度达到 0 2 级，他们研制的3 6 2 k v 电子式电流互感器已经在2 0 0 0 年向l c r a 和c i n e r g y 等 美国公司供货，2 0 0 0 年8 月，a l s t o m 公司研制的光学电流互感器在美国德州挂网运行； 2 0 0 1 年1o 月，n x t p h a s e 公司的三相c o v c t - - n x v c t 在h y d r oq u e b e c 成功安装，所 采用的是全光纤传感头；日本的东芝、东电、佳支等公司除研究5 0 0 k v 、1 0 0 0 k v 高压 电网计量用的e c t 外，还进行5 0 0 k v 以下的直到6 6 k v 电压等级的零序电流、电压互 感器适用的光学c t p t 的研究；三菱公司制造的6 6 k v 、6 0 0 a 的组合式光学零序电流 电压互感器，经过长期运行试验，满足j e c l 2 0 1 1 9 8 5 标准，已在1 9 8 9 年末通过试验鉴 定【5 , 6 , 1 9 。 我国在这方面的研究起步比较晚，上世纪8 0 年代才开始，相对其它国家比较落后。 清华大学、华中科技大学、西安交大、上海科技大学( 现上海大学) 、燕山大学、华北 电力大学、武汉大学、电子部2 6 所、北京电科院、沈阳互感器厂和上海m w b 互感器 制造公司等都在这方面投入相应的人力、物力，我校也作了相应的研究工作，并取得了 一定成果。清华大学和中国电力科学院共同研制11 0 k ve c t ，于1 9 9 1 年通过国家鉴定 挂网运行。2 0 0 2 年，清华大学研制的1 1 0 k ve c t 样机在山东挂网运行，其保护为 r o g o w s l d 线圈，计量传感器为c t 。华中科大与广东新会供电局合作研制1 1 0 k v ， 1 0 0 - - 3 0 0 a o c t 精度达o 3 级，于1 9 9 3 年在广东大泽变电站挂网运行。2 0 0 1 年华中科技 大学与广东某公司合作研制的1 1 0 k v 光电电流互感器已在梅州挂网。燕山大学光电子技 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 术研究所也研制出额定电压1 1 0 k v ，电流l k a ，精度达o 2 级的e c t 样机，准备挂网运 行 5 6 , 1 2 , 19 1 。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本课题主要研究设计有源型电子式互感器高压侧的供能电源。有源型电子式电流互 感器中，为了保证系统的稳定运行，高压侧信号采集系统的电子线路需要另行提供稳定 的电源。经过多年的研究，主要的供能方式有低压侧激光供能、高压侧母线自具供能、 蓄电池供能、超声波供能等。激光供能虽然是一种比较理想的供能方式，但是成本较高， 并且长期运行的稳定性和可靠性还有待考验【1 】；高压侧母线自具供能方式的电源与信号 采集系统同在高压侧，虽然具有绝缘问题小、提供能量多的优点，但是容易在线路故障 时出现供能不稳定的问题。本文将在接下来的章节中，对几种供能方式进行讨论，并详 细介绍取电c t 电源和激光电源方案，并在此基础上提出将这两种方案结合使用的组合 式电源系统。 论文各章节的具体安排： 第一章：简要介绍课题背景及研究意义，综述了电子式电流互感器的发展及国内外 的研究现状，确定本文的主要研究工作。 第二章：介绍各种电子式电流互感器的供能方式，确定组合式电源所采用的方案。 第三章：详细介绍基于m s p 4 3 0 单片机的低压侧激光供能电源，包括大功率激光器 的驱动电路、基于1 6 位低功耗单片机m s p 4 3 0 的过流保护电路和恒温控制电路、输入电 路、显示电路。给出了部分实验数据，及对应的结果分析。 第四章：详细介绍采用高压母线自具供能方式的c t 电源，包括特制线圈、平波电 抗、整流器件、稳压电容、能量泄放电路、滤波电路、d c d c 变换器。给出了部分实 验数据，及对应的结果分析。 第五章：结合两种供能方案的优缺点及实际设计特点，并根据电流互感器所提供的 检测数据，设计了结合这两种电源方案的组合式电源系统。 电子式电流互感器的组合式电源系统 2 e c t 的供能方式 对于高压电子式电流互感器来说，高压侧采样电路供能电源的稳定性是关系到整个 系统工作稳定性的关键因素，也是电子式电流互感器存在的技术难题，这也限制了电子 式电流互感器的应用。因此，选择合适的供能方式是关系到整个电子式电流互感器系统 的重要问题。 如图1 2 所示，电子式电流互感器分为高、低电压侧和光纤传输部分3 个模块。高 压侧采用精密铁心线圈或者罗柯夫斯基线圈采样，经过一系列信号处理( 模数转换或者 压频变换) 转换成数字信号，再通过光发射模块转换成光信号，经由光纤传送到与低压 侧相连的微机进行数据处理。因高、低电压侧之间采用光纤连接，无任何电磁联系，向 高压侧的电子器件供电成为e c t 系统的一项关键技术【2 2 1 。目前，国内外很多部门对e c t 高压侧供能问题进行研究，其主要的供能方式有以下几种【5 】： 2 1 激光供能方式 如图2 1 所示，这种方式采用激光或其它光源从地面低电位侧通过光纤将光能传递 到高电位侧，再由光电转换器件( 光电池) 将光能转换成电能，再由d c d c 变换后， 提供稳定的电压输出。随着电子器件尤其是g a a s 光电池、大功率半导体激光二极管和 高效率单片集成d c d c 变换器的广泛应用，这种供电方式在实际使用中越来越可靠。 以现在的工艺技术，光电池的输出效率可达到4 0 ，并且在输入功率恒定的情况下，光 电池的输出电压随外界温度的变化并不大，大约1 0 左右 2 3 1 ，在采用高效宽输入电压范 围的d c 变换芯片的前提下，可以保证输出电压的稳定性。 图2 1 激光供能简图 f i g 2 1 t h es i m p l ed i a g r a mo fo p t i c a lp o w e rs u p p l y 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 作为光电电流互感器的供能方式来说，激光供能的优点是电源能量供给稳定，摆脱 了高压母线电流大小变化的影响，由该方案供能的电子式电流互感器可以对母线进行故 障检测5 ，2 4 1 。 其缺点主要是目前国内光电技术还不是十分成熟，国外购买光电器件的造价又比较 高，而造价低一些的光电器件其能够提供的功率又有限。另外，特别是对于大功率激光 发生器来说，其激光二极管的工作寿命有限，如果长时间工作在的驱动电流比较大的状 态，激光二极管容易发生退化现象等导致工作寿命迅速降低【5 】。 以下为近年来国内外对e c t 激光供能的研究状况f 5 2 6 , 2 7 】： 从1 9 9 2 年到1 9 9 7 年，a b b 公司研制的激光供能的电子式电流互感器从3 5 0 k v 到 5 0 0 k v 乃至直流都已经在现场运行，激光管输出功率1 5 w ，寿命1 0 万小时。整套系统 测量准确度为0 2 ，保护通道准确度为1 。 1 9 9 3 年美国的b a n w e l lt c 和e s t e sr c 提出了三种激光供能的结构：1 ) 采用波分复 用技术( w d m ) 在一根小芯径光纤上同时传输能量和数据。2 ) 采用一条单模通信光纤传输 数据，同时使用另外一条大芯径光纤传输能量。3 ) 采用一条单模通信光纤传输数据，同 时使用多根大芯径光纤传输更多的能量。 19 9 6 年美国p h o t o n i cp o w e rs y s t r i m s 公司的w e r t h e nj g 和a n d e r s o na g 研制了一套 激光供能的电子式电流传感器。输出功率为2 5 0 r o w ，光电池光电转换效率高于4 0 。 a i ) 采样率为1 0 0 k i - i z 时，整个传感头消耗功率为2 5 m w 。 2 0 0 0 年意大利的s v e l t oc 和o t t o b o n ir 使用的激光管输出功率为5 w ，光电转换装 置为光生伏打电池板( p v p ) ，p v p 输出电压为3 3 v 时输出电流有5 0 m a 。整套系统5 k h z 的动态范围内有o 5 的准确度。 国内各高校及研究所也做了相应的工作，其中包括清华大学、华中科技大学、武汉 大学、燕山大学等，取得了不错的成果。为保证供能的稳定性，现在已有的运行样机多 采用激光器的反馈控制，即在高压侧光电池的输出端向低压侧接反馈光纤回路，将其输 出功率反馈回低压侧，以调节激光器的输出功率，使光电池的输出功率恒定，提供稳定 的电压。这样一来就多了一根反馈光纤，一方面e c t 系统变得复杂，另一方面也使得 本来就少的上行激光能量，一部分要用来驱动反馈的光发射器，使能量供应变得紧张。 2 2 母线自具式供能方式 该供电方式是利用电磁感应原理，由普通铁磁式互感器从高压母线上感应得到交流 电能，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电路供电。该线圈处在高压端，绝缘要求 低，能大大简化其结构【6 1 。 一7 一 电子式电流互感器的组合式电源系统 电力系统负荷在不同的季节、不同的时间变化很大，引起母线电流随之变化也很大， 从几安到几千安，甚至母线短路瞬时电流可超过数十倍额定电流。如此大的电流变化范 围为电源互感器和稳压电路的工作带来严重困难。因此，设计电源时一是要尽量降低死 区电流，保证在母线电流较小时也能提供足以驱动处于高压侧电子电路的功率，二是当 系统出现短路大电流时，能吸收多余的能量，给电子线路一个稳定的电源，其本身也不 会因过电压而损坏。 图2 2 为文献【4 】中给出的一种自具式供能电路图。该电源基本原理就是基于互感器 的一次、二次侧的磁势平衡： = 仍= 仍 ( 2 1 ) 即磁路的安培环路定律：沿着磁场中任意一个闭合回路，其中磁压等于总磁势。 忽略漏磁及铁损和铜损，磁势平衡方程如下式： 厶m = m 一( 厶2 + 厶3 + 厶4 ) ( 2 2 ) 其中：为合成磁通；仍为一次电流产生的磁通；仍为二次电流产生的磁通；o 为激磁 电流；厶为一次侧母线电流；2 为二次侧电源线圈电流；厶为二次侧控制线圈电流；，4 为二次侧补偿线圈电流；】为一次侧母线匝数；n 2 为二次侧电源线圈匝数；3 为二次 侧控制线圈匝数：4 为二次侧补偿线圈匝数。 图2 2 一种自具式供电方式 f i g 2 2 af o r mo ft h es e l f - p r o v i d i n gp o w e rs u p p l y - 雪 母 大连理工大学硕士学位论文 从原理上分析，只要补偿线圈中电流厶能随着母线电流厶线性变化就能使电源输入 电压基本保持不变，因而有稳定输出，并且对传感头波形影响不大。关键就是解决如何 使1 与厶能基本保持线性变化。 在该设计方案中，利用三极管在c ，e 间阻抗随集电极电流变化曲线来拟合可变阻 抗，使补偿电流厶按线性增加，从而达到线性补偿。 电路图中就是通过分压器r 1 和r 2 从控制电路提取控制信号，经t l ，t 2 两级放大得 到补偿电流厶。因为流过t 2 的电流在母线电流增大时不断增大，其功耗也比较大，必须 选用线性范围宽的大功率三极管。通过调节电位器r l 可以控制补偿电流的启动时刻，使 补偿电流在各路电源电压满足要求后补偿。也是通过调节r l 和选择合适的t l ，t 2 达到补 偿的线性效果。 母线自具式供能的主要技术难点是：母线电流处于空载等小电流状态时，要尽量保 证电源板的供应；而当母线处于超过额定电流的大电流状态，甚至是短路故障电流时， 要给予电源板足够的保护，不能损坏器件。而以上二者在设计上又是矛盾的。即如果为 了改善小电流启动状态而增大线圈匝数，同时也容易使得母线大电流状态时的感应电压 过高；如果为了保护大电流状态而设计保护电路，又由于这些电路在母线小电流状态也 会吸收部分能量而增加电路在小电流状态时的启动难度。因此，对于这种设计方案，如 何协调母线小电流状态和母线大电流状态时的关系，是最主要的难点和考虑因素。 以下为近年来国内外对e c t 母线自具式供能的研究状况 8 9 , 1 0 j ： 1 9 9 3 年英国的p i l l i n gn a 和h o l m e sr 等研制了一套利用液晶作为调制器的传光式 电流互感器。他们利用液晶对不同颜色的光进行调制，利用双层光电二极管测量光信号 的色度，从而间接求得待测电流大小。该装置在2 0 0 a 电流的动态范围内灵敏度达到 0 4 5 n m a ，整套系统的温度灵敏度为0 5 吲，分辨率为0 0 2 4 r i m ，相应于电流分辨率 o 0 5 3 a 。同时，他们研制了一套压频转换式( v f ) g 流互感器：利用传统c t 从传输导线 取电压，采用v f c 对电压信号进行频率调制，整个传感头电路功耗小于2 5 m w ，整套 系统准确度达到4 - 3 8 9 】。 1 9 9 9 年华中理工大学的z h a n gg 和“sh 等利用r o g o w s k i 线圈在高压端采集电流 信号，将此电流信号经过积分，通过压频转换( v f ) 将高压端电流信号传输到地面，并采 用传统c t 从母线上取电能。整套系统在实验室内有4 - 0 2 的准确度 1 0 】。 一9 一 电子式电流互感器的组合式电源系统 2 3 其它供能方式 2 3 1高压电容分压器供能方式 在高压母线与地之间连接高压电容分压器从高压母线上取得能量经过整流、滤波、 稳压后，向高压侧电路供电。实际中，高压电容分压器采用集中式电容分压器。这种方 法的优点是，利用传统电容式电压互感器( c v t ) ，既能提供光电电流互感器的高压侧 供电电源，又可应用光纤技术于c v t 从而实现测量对电力系统的电压、电流、功率( ) 【1 3 】 o 该方案供电除了依赖于母线电流大小、存在死区外，对电容分压电容的工艺要求 比较高，而且需要直接接入高压母线，降低了系统的可靠性。 2 3 2 蓄电池供能方式 这种供能方式是采用蓄电池对高电位侧的电子线路进行供电，电池的能量来自于母 线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器和分压器构成电池的交流充电电源， 经过稳压和整流后对电池进行充电。这种方式的突出优点是结构简单，不需要设计特殊 的电子线路，因此，实现起来比较容易，但是蓄电池的寿命比较短，比较容易损坏，而 在高电位侧的电池更新起来比较困难，不能满足一般工业运行的条件。 2 3 3 超声电源供能方式 这种方式采用地面上的超声振荡器驱动一个与纤维玻璃棒相连的石英传感器，传感 器的另一端延伸到高电位端，其顶端有一个相同的传感器，将超声波转换成为电能提供 给后级电子电路。由于目前超声波设备的造价相对比较昂贵，而且将超声波能量转换成 为电能量的转换器的转换效率较低，它还没有达到真正实用的程度，所以采用这种供电 方式的设备很少【5 】。 2 4 采用组合式供能方式 高压自具供能的特点：结构简单，成本较低，但存在工作死区；激光供能的特点： 供电稳定，但效率低。本课题希望在基于激光供能和自具供能特性分析和电路设计基础 上开发一种为高压电子式电流互感器供能的组合式电源，为我国自行独立开发光电传感 器产品做有益的尝试。 两种电源切换的主动方为激光电源，整个电源系统的切换由位于低压侧的激光器驱 动系统完成。激光器驱动系统根据得到的电源工作状态信息，调整激光器的工作电流， 其判断的首要依据为母线电流，简单的原理图如图2 3 所示，根据自具电源的死区范围 大连理工大学硕士学位论文 设定好各相关的电流阀值，在非死区范围内，激光电源输出关闭，而自具电源一侧导通， 高压自具电源单独为e c t 的一次转换器供电；在死区范围内，激光电源输出为6 v ，自 具电源关闭，激光电源单独为e c t 的一次转换器供电。利用电路中的各二极管导通和 关闭，自动完成两者之间的切换。 图2 3 电源自动切换原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u p p l ya u t o s w i t c h 2 5 本章小结 本章中给出了可用于e c t 供能的几种方案，分析了各种方案的特点，并结合激光 供能和高压自具供能的优缺点提出组合式电源方案。 电子式电流互感器的组合式电源系统 3 激光供能电源 3 1激光供能电源的系统结构 系统的结构框图如图3 1 所示。供能系统由低压侧和高压侧两部分组成：低压侧为 激光光源，包括激光器及其驱动、基于16 位低功耗单片机m s p 4 3 0 的过流保护电路和 恒温控制电路、输入电路、显示电路和高压侧电压变换电路。高压侧的光电池将光能转 换为电能，提供满足e c t 一次转换器电路所需的电压输出【3 0 3 1 1 。 ；低电压侧i 之； 图3 1 激光功能电源系统结构 f i g 3 ：1 t h es t r u c t u r eo f t h eo p t i c a lp o w e rs u p p l ys y s t e m 本电源的特点是低压端采用低功耗单片机m s p 4 3 0 ，功耗较低，结构简单，工作可 靠性高，电源不受电网电流大小的影响，不存在死区，并且由于采用光纤隔离低压侧与 高压侧，因此能够很好的起到高电压绝缘的作用。 3 2 激光供能电路设计应注意的问题 激光供能系统设计上的主要考虑因素是光电池。光电池是能够将输入的光能转换为 电能输出的光电转换器件，本方案中所采用的是p p c 6 e 型光电池，它输出电压根据光 大连理工大学硕士学位论文 能输入以及光电池负载的情况而定，大致在嘶4 v 之间变化。本电源在低压侧采取 m s p 4 3 0 单片机，简化了激光器的驱动和保护电路，降低了损耗，增加了数字显示和输 入功能。 该方案主要的技术难点及解决办法【5 ，1 1 2 9 】： ( 1 ) 大功率激光光源所能提供的能量限制 目前国内的大功率半导体激光器的技术水平有限，容易发生激光器退化导致发射功 率下降。如果购买更大功率的激光光源，价格的增加也将直线上升，造成成本的增加。 本设计中所采用的是加拿大i - t e e h 公司生产的s p l 2 f 8 1 2 s 型激光器。它最大输出可达 2 w ，根据高压侧电路的设计要求，只令激光器工作在4 0 的最大输出功率下，即可保 证高压侧系统的正常工作。而且激光器可以工作在恒流和载波两种驱动方式下，满足设 计要求。 ( 2 ) 光电池的光电转换效率问题 目前国内外的光电池技术发展比较迅速，用于产品级的光电池的光电转换效率从以 前的1 0 - - 2 0 提升到3 0 4 0 左右。但大功率的光电池的光电转换效率仍然偏低， 即使采用大功率的激光器，理论上可以提高输出功率，但是由于光电池的转换效率低， 使得大部分的能量消耗在光电转换上，以热的形式散失，使得光电池的温度升高，降低 工作的稳定性，又带来了光电池散热的难题。本设计中所选用的p p c 6 e 型光电池工作 在大功率光电转换时，效率可达4 0 。因此在激光光源驱动电流约为1 7 a ，即光电池 接收光能约为0 9 w 时，能为后端所有负载提供的最大电能约为3 5 0 r o w ，满足高压侧的 供能要求，并使激光器工作在小功率输出下，可以延长其使用寿命；而且工作在小功率 状态下，热损耗小，可通过加一个大功率的散热片为光电池散热。 3 3 激光光源部分 激光光源主要由半导体激光二极管( l d ) 、驱动l d 工作的电源电路以及相应的保 护电路组成。半导体激光二极管光源是e c t 系统的能量来源，e c t 系统所有的数字器 件和模拟有源器件就是依靠一只大功率激光器提供的光能转换得到的电能供电。 3 3 1 激光器工作原理 激光二极管又称注入型半导体激光器，用符号l d 表示，其核心部分为p - n 结【卯。 激光二极管在p 区和n 区之间形成的过渡区称为有源区或活性区。两个端面为解理面， 与结面垂直。有源区长度一般为几百微米。当注入的非平衡载流子在有源区发生辐射复 合，注入载流子密度达到光增益条件时，在有源区产生受激发射。当增益等于光波在有 源区运行时总的损耗时，就获得产生激射的阈值电流密度厶， 电子式电流互感器的组合式电源系统 厶= 8 万刀2 e 跳叫z ( 丁) a 2 ，7 。+ - i - 蒯, i t ( 3 1 ) 其中为有源区宽度，印为晶体中产生自发发射光子的量子效率，a 唐为吸收损耗系数， 晰为衍射损耗系数，天，飓分别为两个端面上的反射光强度，及乃为光场限制因子。 从该阈值电流密度表达式可以得到随温度上升阈值电流密度将增大。其阈值电流与 温度的关系可表示为 7 厶( r ) = 山e x p ( ( 3 2 ) f 0 而是一个常数，对于不同的激光器，具有不同的值。乃是表示闽值电流对温度敏感 程度的特征温度。乃值低就表示温度对阈值电流的影响大。在室温下连续波工作时，激 光二极管发射的最大功率受热耗散过程的限制：工作过程中，要求越来越高的电流来抵 消内部温升的影响，而注入电流增高又进一步提高了器件的温度，因此，一般都是将激 光二极管管芯焊在散热的底座上，使用时又将管子装在散热器上，以减小管芯的温升。 从结构上可以把激光二极管分为同质结和异质结两大类。所谓同质结，指的是同种 晶体材料，因掺杂不同而形成的p - n 结，最先实现激射的就是这种结构。同质结l d 的 两端面为解理面，构成e p 腔。当注入电流密度达到或超过阈值电流，从解理面端有激 光输出。而所谓异质结，就是在带隙宽度不同的两种材料间形成的结。如果在两层宽带 隙材料层间夹一层窄带隙材料，则称为双异质结构。由于双异质结构对注入载流子形成 了良好的约束作用以及对光模场的有效约束作用，所以阈值电流密度仅为同质结的 1 1 0 - , 1 5 ，实现了室温下的连续运转。 作为工业上使用的激光二极管都具有内建的某种结构，使注入载流子约束在结平面 内的一条形区域中，有如下几个目的： 1 ) 与大面积激光二极管相比，这种结构能在低得多的阈值电流下就可以连续工作； 2 ) 能实现侧向的基模工作状态，只有侧向基模工作的激光二极管才能与单模光纤 实现高效率耦合； 3 ) 因发热区集中在注入条区，热很容易向四周传导而易于耗散，因而管芯温度低， 从而增长了器件的寿命。 大连理工大学硕士学位论文 3 3 2 激光器驱动电路 激光器驱动电路首先应该满足激光器工作的最基本要求，即恒流驱动。在该电路中， 大功率m o s 管为核心元件，驱动电路如图3 2 所示。其中，o p l 、o p 2 构成了前向控制 电路，采样电阻风和o p 3 构成反馈电路【3 2 埘】。 本设计中采用的是加拿大i - t e e h 公司的s p l 2 f 8 1 2 s 型激光器，这一型号的激光器 可以采用脉冲驱动的形式，输出光脉冲信号，其在恒流驱动下的功率输出特性如图3 3 所示，在阀值电流后l d 的输出功率与驱动电流呈线型关系。该型号激光器的内部集成 了负温度系数的热敏电阻( n t c ) ，它可以采集激光器的温度信号，用于控制激光器的 工作温度，从而控制激光器输出光信号的波长。驱动电路中运放采用的是r a i l t o r a i l 型双运放t