有源電子式電流互感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛肖煒

摘 要：當(dāng)前隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電磁式互感器的應(yīng)用不足越加凸顯，而電子式電流互感器憑借著其絕緣性好、測量范圍大、無飽和的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對有源電子式電流互感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了具體的探討。

關(guān)鍵詞：有源；電子式電流互感器；設(shè)計(jì)

電子式電流互感器主要是通過光電子、光纖傳感技術(shù)對電力系統(tǒng)電流進(jìn)行測量，其適應(yīng)了電力計(jì)量與保護(hù)自動化、微機(jī)化發(fā)展的需要，是未來電流互感器發(fā)展的重要方向之一。因此，做好電子式電流互感器的設(shè)計(jì)十分重要，下文主要針對其中的有源電子式電流互感器展開具體論述。

1 有源電子式電流互感器概述

在我國整個電力系統(tǒng)中，電流互感器是一個十分重要的設(shè)備，其在繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)分析以及電流測量等方面發(fā)揮著極為重要的作用。長期以來，電流互感器使用的是電磁感應(yīng)式的，但是隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其絕緣、誤差以及造價(jià)等等問題越加凸顯。在此背景下，電子式電流互感器也就應(yīng)運(yùn)而生，其克服了傳統(tǒng)電流互感器的絕緣問題，有效避免了鐵磁諧振、磁飽和等現(xiàn)象的出現(xiàn)，此外該種電流互感器的體積更小，運(yùn)輸與安裝更加便捷，大大節(jié)省了空間。

當(dāng)前，根據(jù)電子式電流互感器的傳感頭需要電源與否，可以將其分為兩大類：一是無源電子式電流互感器，該種電流互感器的傳感頭應(yīng)用的是光學(xué)原理，通過光纖傳輸系統(tǒng)能夠把光測量信號傳送出去，因此不用進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，也就無需使用電源；二是有源電子式電流互感器，該種電流互感器的傳感頭應(yīng)用的是電磁原理，需要對一次傳感器中的電輸出信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后，才能夠通過光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。由于一次轉(zhuǎn)換器屬于電子部件，因此必須由電源對其進(jìn)行供電方可。值得注意的是，由于有源電子式電流互感器的應(yīng)用離不開電源，因此若是電源供應(yīng)的穩(wěn)定性達(dá)不到要求，則必然會導(dǎo)致系統(tǒng)精確性受到影響，此外，由于電源供電是有限的，因此必須確保電子電路的消耗處于可控的范圍內(nèi)，基于此，做好電子電路的簡化工作也是在進(jìn)行有源電子式電流互感器設(shè)計(jì)時(shí)，十分值得考慮的問題。

2 有源電子式電流互感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下文主要針對有源電子式電流互感器的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

2.1 有源電子式電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其原理

在進(jìn)行有源電子式電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證處在高電位的正弦交流信號能夠精確地傳送到地面控制室內(nèi)，并由相關(guān)儀表顯現(xiàn)出來，對此需將電流互感器的系統(tǒng)分為兩大部分：一是高壓子系統(tǒng)，二是低壓子系統(tǒng)。這二者應(yīng)通過光纖進(jìn)行連接，其主要作用在于以下兩個方面：一方面可以進(jìn)行光信號的輸送，另一方面則是可以實(shí)現(xiàn)高壓子系統(tǒng)與低壓子系統(tǒng)的有效隔離。如下圖所示即為本研究所設(shè)計(jì)的有源電子式電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

如上圖中所示，在該有源電子式電流互感器系統(tǒng)中，高壓側(cè)母線電流主要是通過Rogowski線圈（羅氏線圈）開展采樣工作，由于因?yàn)榫€圈電磁感應(yīng)做得到的輸出電壓和電流對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成比例，因此為了達(dá)到獲得和電流成比例信號的目的，則必須利用外接積分器，實(shí)現(xiàn)信號的有效還原。基于上述原理可以看出，積分器在有源電子式電流互感器的應(yīng)用中發(fā)揮著極為重要的作用，只有確保積分信號的精確性，方能夠確保后續(xù)的信號數(shù)字變換準(zhǔn)確無誤。

由于Rogowski線圈并不含有鐵芯，因此也被稱為是空心線圈，其互感系數(shù)較小，因此能夠感應(yīng)到的電壓信號十分的微弱，通常處于幾十至幾百毫伏。基于此種情況，該信號在輸送的過程中，十分容易因?yàn)槠渌蛩氐母蓴_而出現(xiàn)誤差，特別是模擬信號處理時(shí)必須通過積分的環(huán)節(jié)，著必然會導(dǎo)致信號出現(xiàn)一定程度的衰減。對此，為了避免這些微弱的感應(yīng)電壓信號因?yàn)楦蓴_而影響精度，必須添加放大環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信號的有效放大。

Rogowski線圈所得的信號經(jīng)過積分、放大等等環(huán)節(jié)后，會進(jìn)入到V/F轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，通過V/F轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)化成脈沖輸出，此時(shí)脈沖頻率和電壓呈現(xiàn)為線性關(guān)系，因此可以利用對脈沖頻率的測量獲得電壓值。

為了確保V/F轉(zhuǎn)換器所輸出的數(shù)據(jù)能夠經(jīng)由光纖輸送至低壓端，則必須使用適合的電光轉(zhuǎn)換器。在充分考慮各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素后，本系統(tǒng)中決定使用發(fā)光二極管，其具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、能夠在較低的驅(qū)動電流下展開工作等等優(yōu)點(diǎn)。

在整個有源電子式電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，低壓子系統(tǒng)主要是通過接收高壓子系統(tǒng)中的光脈沖信號，并將其在此還原成模擬的電信號，其主要過程如下：首先通過光電轉(zhuǎn)換將光纖輸送至的光脈沖信號轉(zhuǎn)化為電脈沖信號；其次，由F/V反變換，將電脈沖信號轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，并通過示波器進(jìn)行顯示。此外，可以將此信號輸入到單片機(jī)中，并進(jìn)行一定的處理與顯示，若是有需要，則可以將其與其他終端通信。

2.2 V/F轉(zhuǎn)換電路

通過上述有源電子式電流互感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個系統(tǒng)中，高壓子系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要構(gòu)成，其在一定程度上決定了系統(tǒng)精確性。目前，在進(jìn)行有源電子式電流互感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，主要的難點(diǎn)也在于高壓子系統(tǒng)中，其一方面體現(xiàn)在高壓子系統(tǒng)電源的供應(yīng)商，另一方面則是體現(xiàn)在高壓子系統(tǒng)電子線路功耗和精度上。因?yàn)楦邏鹤酉到y(tǒng)中所有的信號處理轉(zhuǎn)換線路的運(yùn)行功耗均來源于電源的供電，但是其電能是有限的，所以必須做好線路的簡化工作，以最小功耗進(jìn)行信號的處理，達(dá)到精確測量的目標(biāo)。

作為高壓子系統(tǒng)的重要組成部分，本研究針對V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)展開了具體分析。該系統(tǒng)中，應(yīng)用了LM331芯片，其動態(tài)范圍較寬，能夠達(dá)到100（dB）以上，同時(shí)其也具有較好的線性度，最大的線性度不超過0.01%，當(dāng)工作頻率處于0.1赫茲也能夠具有良好的線性。LM331芯片變換精度十分高，其數(shù)字分辨率能夠達(dá)到12位，僅僅需要簡單地接入一些外部元件即可構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換電路。此外，該芯片還具有良好的溫度穩(wěn)定性，體積小、功耗小，例如：使用5V電源進(jìn)行供電，其功耗只有15mW。

如上圖所示即為LM331V/F變換原理示意圖，從圖中可以看出，自輸入端（Vi+）將正電壓輸入后，由輸入比較器將高電平輸出，從而使得R-S觸發(fā)器置位，由Q將高電平輸出，通過輸出驅(qū)動管導(dǎo)通，而輸出端（f0）屬于是邏輯低電平，此時(shí)電流開關(guān)合上，由電流源（IR）對電容（C1）進(jìn)行充電。在這一階段，因?yàn)閺?fù)零晶體管截止，使得電源（ Vcc）也經(jīng)由外接電阻（Rt）對電容（Ct）進(jìn)行充電。直至電容（ Ct）兩端的充電電壓超過電源（Vcc）的2/3，定時(shí)比較器則會輸出高電平，從而促使R-S觸發(fā)器復(fù)位，由Q將低電平輸出，此時(shí)驅(qū)動管截止，輸出端（f0）屬于是邏輯高電平，而復(fù)零晶體管導(dǎo)通后，電容（Ct）經(jīng)由其實(shí)現(xiàn)快速放電。此時(shí)，電流開關(guān)斷開，電容（C1）實(shí)現(xiàn)對電阻（R1）的放電。直至電容（C1）放電電壓與輸入電壓（Vi）相等，則輸入比較器會再次將高電平輸出，從而使得 觸發(fā)器置位，如此這般循環(huán)，形成自激振蕩。

在此系統(tǒng)中，由于電阻（Rs、R1、Rt）、電容（Ct）會對轉(zhuǎn)換的結(jié)果（f0）產(chǎn)生直接的影響，對此必須確保元件精度；而電容（C1）即使未對轉(zhuǎn)換的結(jié)果（f0）產(chǎn)生直接的影響，但也需要使用漏電流小的電容器。利用電阻（R1）與電容（C1）構(gòu)成低通濾波器，能夠大幅降低電壓內(nèi)干擾脈沖，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換精度的有效增加。

2.3 精度試驗(yàn)

使用5V單電源對LM331進(jìn)行供電，通過實(shí)驗(yàn)可得其僅僅可在0.3～3.5V的范圍內(nèi)進(jìn)行線性工作，輸出頻率保持在1～10kHz。如下圖3所示即為LM331V/F轉(zhuǎn)換線性關(guān)系示意圖，從圖中可以明顯看出電路線性度較為良好，其輸出頻率可以真實(shí)反映輸入電壓變化情況。

3 結(jié)語

綜上，本文主要介紹了有源電子式電流互感器的發(fā)展與特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一種基于 Rogowski 線圈與VFC的有源電子式電流互感器，其精確度較高、測量范圍廣、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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