高壓平臺上的脈沖電流測量

摘 要：為了對高壓平臺上的脈沖電流信號進行測量，設計并制作了一個自積分式Rogowski線圈并通過光電轉換，光纖傳輸等技術，將測量到的信號傳輸到低壓端對信號進行監測。在對該測量系統進行標定時，脈沖信號源產生高壓脈沖信號，然后使用示波器進行測量，得到一條測量電流和脈沖電壓的關系曲線，其線性度良好，因此該裝置能夠用于高壓脈沖電流的測量。

關鍵詞：Rogowski線圈; 光電轉換; 單次脈沖電流測量; 高壓平臺

中圖分類號：TN911.734; TM933.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09012203

由于示波器和探頭的耐壓有限，對于高壓平臺上的脈沖電流測量，不能直接使用示波器測量電流波形，此外，高電壓干擾也會對測量產生一定的影響，所以要測量高壓平臺上的電流波形，必須把高壓端與示波器隔離起來，把大電流信號轉換為小電壓信號進行測量。Rogowski線圈被廣泛用做脈沖電流的測量，它是在非鐵磁骨架上用銅線繞制而成，具有結構簡單、頻帶寬、測量范圍大、精確度高、不存在磁飽和以及良好的熱穩定性等優點［1］，此外由于Rogowski線圈是無源器件，降低了對測量環境的要求。但是線圈需要屏蔽，且線圈的雜散電容也會對信號的測量產生干擾，為了解決這些問題，本文利用Rogowski線圈以及光電轉換技術，采用發光二極管、光纖及放大電路，制作了單次脈沖電流的測量系統，測量電流脈寬為300 ns，電流上升沿為140 ns，成功地在30 kV高壓平臺上對脈沖電流波形進行了測量，解決了高壓平臺與測量儀器的隔離問題，提高了測量系統的抗干擾能力和精確度，對測量得到的數據進行分析和線性擬合，得到了一條擬合曲線，此曲線具有較良好的線性度，可以用來對后期測量進行查對計算。

Rogowski線圈是通過測量導線上變化電流產生的磁場在線圈上感應出的電信號，確定導線上的電流大?。?］。Rogowski線圈又可以分為外積分式和自積分式兩種，當使用外積分式Rogowski線圈時，必須經過一個RC積分回路，所以限制了其頻率響應范圍，而自積分式Rogowski線圈的頻率響應很高，是測量納秒級脈沖大電流信號的理想手段，在國外已被廣泛應用。Rogowski線圈的結構示意圖如圖1所示［3］。

整個系統主要由置于高壓平臺上的脈沖信號源、Rogowski線圈、電/光取樣單元、光纖傳輸單元、光/電轉換單元、信號處理單元等組成，系統結構圖如圖2所示。

圖2 測量系統結構圖Rogowski線圈采用自積分式電路［4］，在線圈的兩端直接連接一個小的電阻負載，測量電阻兩端的電壓信號來確定測量電流，這就是自積分式Rogowski線圈。要使用自積分電路的關鍵是要保證電阻負載的純阻性。本文制作的Rogowski線圈由芯架、測量線圈和信號電阻等構成，芯架采用圓形結構，半徑5 cm，測量線圈使用直徑1 mm漆包線，均勻繞制在環形非磁芯芯架上，共繞196匝。在繞制線圈時，需均勻回繞一周，即沿著任意閉曲面環繞線圈，當繞到終點后再稀疏回繞到起點，為了消除雜散磁場對測量信號的影響，其首尾都應在線圈的一側，匝間距約為0.16 cm，信號電阻R直接接在測量線圈兩端。再將線圈放入屏蔽鐵盒內，屏蔽中心開孔，以便信號線穿過，取樣電阻為5 Ω，電阻采用無感電阻，以消除掉電阻電感與雜散電容產生的高頻振蕩干擾。

電/光轉換部分由取樣電阻和發光二極管組成，如圖3所示。當脈沖電流通過Rogowski線圈時，取樣電阻R上會感應產生電壓降V，并隨著輸入脈沖電流呈線性變化。變化的電壓也會同時加到發光二極管上，當感應電流超過發光二極管的閾值電流時，二極管發光并且光的強度會隨著脈沖電流的變化而線性地變化。變化的光信號經10 m長的光纖傳輸到低壓端，經過光電二極管， 將光信號轉變成電信號， 輸入到放大器放大后， 通過示波器觀察單次脈沖電流波形。本文選用直接注入式發光二極管，采用的是美國安捷倫公司的Philippines HFBR1521系列低功耗、高效發光二極管， 其發射光波波長為600 nm、帶寬為125 MHz、截止頻率為35 MHz，反向擊穿電壓為11 V，上升時間最小可達到80 ns，工作溫度范圍為-40～+85 ℃。傳輸光纖采用芯徑Φ2.5 mm的多模光纖，其傳輸損耗小、通頻帶寬，可達10 GHz以上。此外由于光纖是絕緣物，而且不受電磁感應干擾，解決了被測高壓端與終端測量儀器的隔離問題。

在以往的光纖通信中經常使用PIN發光二極管進行光檢測來將光信號轉變為電信號。但其電信號較弱，很難將其有效地轉換成合適的電壓供后繼電路進行信號處理使用。以前通常使用價格昂貴的高性能運算放大器組成放大電路， 但容易受到外界電磁干擾的影響。本文采用美國安捷倫特公司生產的Philippines HFBR2521，它是將PIN發光二極管和前級放大器集成在一起的新型光接插器件。其內部采用肖特基三極管，并集成了上拉電阻和抗干擾電路，其輸出電壓較大，可以直接作為輸出進行測量或作為后級放大電路的輸入信號。通過外界簡單的連接電路即可以作為高性能的光接收電路，其電路連接圖如圖4所示。

對于以上的測量系統，脈沖信號源使用純電阻負載，在平臺未加高壓的情況下，對測量線圈進行了標定。標定時使用電壓探頭測出脈沖信號源輸出脈沖電壓的大?。?］，同時采用Rogowski線圈測量，得到的電流信號經過電/光轉化、傳輸、光/電轉換以及一級電壓放大電路后，通過示波器測量。根據示波器上顯示的脈沖電壓幅值、測量電流幅值以及負載電阻的大小，可以求出相對應的真實脈沖電流，以此對測量系統進行標定。依次輸入不同的脈沖電壓，用示波器的電壓探頭就可以從示波器熒光屏上讀出不同的值，數據如表1所示。表中的數據均是在三次測量以后所取得的平均值。

在測量過程中，所使用的器件皆為線性器件，假定IV關系為直線關系，對表1中的數據進行線性擬合，其結果如圖5所示。 用I表示測出的電流脈沖幅值，用V表示脈沖信號源相應電壓脈沖幅度，設該直線方程為:I=a×V+b，由最小二乘法原理經過相應計算得到標定直線方程為I=V×19.368 28-0.867 1。由該方程繪制出IV校正直線，此直線和擬合方程可以在現場測試電流脈沖時計算使用。

在試驗中，高壓平臺所加高壓為30 kV，把測量系統連接到高壓平臺上，由示波器測量得到的電流波形如圖6所示，脈沖上升沿為140 ns，脈沖寬度為300 ns。說明自積分式Rogowski線圈能夠用來對納秒級電流信號進行測量，在測量過程中得到的數據由于電磁干擾會有高頻振蕩噪聲，可以通過數字濾波消除。

本文利用Rogowski線圈以及光纖技術設計了高壓平臺脈沖電流的測量裝置，解決了高壓平臺和測量儀器的隔離問題。通過脈沖信號源和示波器對測量系統進行標定，并對得到的數據進行了線性擬合，兩者的相關性較高。利用該裝置在高壓平臺上測量得到了脈沖電流信號。

參 考 文 獻

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作者簡介： 邱 瑞 男，1986年出生，四川廣元人，碩士。主要研究方向為高壓脈沖放電。