有源電子式電流互感器的設計與實現

盛肖煒

摘 要：當前隨著我國電力系統的不斷發展，電磁式互感器的應用不足越加凸顯，而電子式電流互感器憑借著其絕緣性好、測量范圍大、無飽和的優勢得到了廣泛的應用。本文主要針對有源電子式電流互感器的設計與實現進行了具體的探討。

關鍵詞：有源；電子式電流互感器；設計

電子式電流互感器主要是通過光電子、光纖傳感技術對電力系統電流進行測量，其適應了電力計量與保護自動化、微機化發展的需要，是未來電流互感器發展的重要方向之一。因此，做好電子式電流互感器的設計十分重要，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中，電流互感器是一個十分重要的設備，其在繼電保護、電力系統分析以及電流測量等方面發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式的，但是隨著電力系統的不斷發展，其絕緣、誤差以及造價等等問題越加凸顯。在此背景下，電子式電流互感器也就應運而生，其克服了傳統電流互感器的絕緣問題，有效避免了鐵磁諧振、磁飽和等現象的出現，此外該種電流互感器的體積更小，運輸與安裝更加便捷，大大節省了空間。

當前，根據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用的是光學原理，通過光纖傳輸系統能夠把光測量信號傳送出去，因此不用進行光電轉換，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用的是電磁原理，需要對一次傳感器中的電輸出信號進行光電轉換之后，才能夠通過光纖傳輸系統進行傳輸。由于一次轉換器屬于電子部件，因此必須由電源對其進行供電方可。值得注意的是，由于有源電子式電流互感器的應用離不開電源，因此若是電源供應的穩定性達不到要求，則必然會導致系統精確性受到影響，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，基于此，做好電子電路的簡化工作也是在進行有源電子式電流互感器設計時，十分值得考慮的問題。

2 有源電子式電流互感器的設計與實現

下文主要針對有源電子式電流互感器的具體設計進行了分析。

2.1 有源電子式電流互感器系統結構及其原理

在進行有源電子式電流互感器系統結構設計時，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，并由相關儀表顯現出來，對此需將電流互感器的系統分為兩大部分：一是高壓子系統，二是低壓子系統。這二者應通過光纖進行連接，其主要作用在于以下兩個方面：一方面可以進行光信號的輸送，另一方面則是可以實現高壓子系統與低壓子系統的有效隔離。如下圖所示即為本研究所設計的有源電子式電流互感器系統結構示意圖。

如上圖中所示，在該有源電子式電流互感器系統中，高壓側母線電流主要是通過Rogowski線圈（羅氏線圈）開展采樣工作，由于因為線圈電磁感應做得到的輸出電壓和電流對時間的導數成比例，因此為了達到獲得和電流成比例信號的目的，則必須利用外接積分器，實現信號的有效還原。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用中發揮著極為重要的作用，只有確保積分信號的精確性，方能夠確保后續的信號數字變換準確無誤。

由于Rogowski線圈并不含有鐵芯，因此也被稱為是空心線圈，其互感系數較小，因此能夠感應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，十分容易因為其他因素的干擾而出現誤差，特別是模擬信號處理時必須通過積分的環節，著必然會導致信號出現一定程度的衰減。對此，為了避免這些微弱的感應電壓信號因為干擾而影響精度，必須添加放大環節，實現信號的有效放大。

Rogowski線圈所得的信號經過積分、放大等等環節后，會進入到V/F轉換環節中，通過V/F轉換器將電壓轉化成脈沖輸出，此時脈沖頻率和電壓呈現為線性關系，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轉換器所輸出的數據能夠經由光纖輸送至低壓端，則必須使用適合的電光轉換器。在充分考慮各項技術經濟因素后，本系統中決定使用發光二極管，其具有價格低廉、結構簡單、穩定性好、能夠在較低的驅動電流下展開工作等等優點。

在整個有源電子式電流互感器系統結構中，低壓子系統主要是通過接收高壓子系統中的光脈沖信號，并將其在此還原成模擬的電信號，其主要過程如下：首先通過光電轉換將光纖輸送至的光脈沖信號轉化為電脈沖信號；其次，由F/V反變換，將電脈沖信號轉化成模擬電壓信號，并通過示波器進行顯示。此外，可以將此信號輸入到單片機中，并進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轉換電路

通過上述有源電子式電流互感器系統結構的分析可以發現，在整個系統中，高壓子系統是系統的重要構成，其在一定程度上決定了系統精確性。目前，在進行有源電子式電流互感器系統的設計時，主要的難點也在于高壓子系統中，其一方面體現在高壓子系統電源的供應商，另一方面則是體現在高壓子系統電子線路功耗和精度上。因為高壓子系統中所有的信號處理轉換線路的運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，以最小功耗進行信號的處理，達到精確測量的目標。

作為高壓子系統的重要組成部分，本研究針對V/F轉換電路的設計展開了具體分析。該系統中，應用了LM331芯片，其動態范圍較寬，能夠達到100（dB）以上，同時其也具有較好的線性度，最大的線性度不超過0.01%，當工作頻率處于0.1赫茲也能夠具有良好的線性。LM331芯片變換精度十分高，其數字分辨率能夠達到12位，僅僅需要簡單地接入一些外部元件即可構成V/F轉換電路。此外，該芯片還具有良好的溫度穩定性，體積小、功耗小，例如：使用5V電源進行供電，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觸發器置位，由Q將高電平輸出，通過輸出驅動管導通，而輸出端（f0）屬于是邏輯低電平，此時電流開關合上，由電流源（IR）對電容（C1）進行充電。在這一階段，因為復零晶體管截止，使得電源（ Vcc）也經由外接電阻（Rt）對電容（Ct）進行充電。直至電容（ Ct）兩端的充電電壓超過電源（Vcc）的2/3，定時比較器則會輸出高電平，從而促使R-S觸發器復位，由Q將低電平輸出，此時驅動管截止，輸出端（f0）屬于是邏輯高電平，而復零晶體管導通后，電容（Ct）經由其實現快速放電。此時，電流開關斷開，電容（C1）實現對電阻（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 觸發器置位，如此這般循環，形成自激振蕩。

在此系統中，由于電阻（Rs、R1、Rt）、電容（Ct）會對轉換的結果（f0）產生直接的影響，對此必須確保元件精度；而電容（C1）即使未對轉換的結果（f0）產生直接的影響，但也需要使用漏電流小的電容器。利用電阻（R1）與電容（C1）構成低通濾波器，能夠大幅降低電壓內干擾脈沖，實現轉換精度的有效增加。

2.3 精度試驗

使用5V單電源對LM331進行供電，通過實驗可得其僅僅可在0.3～3.5V的范圍內進行線性工作，輸出頻率保持在1～10kHz。如下圖3所示即為LM331V/F轉換線性關系示意圖，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反映輸入電壓變化情況。

3 結語

綜上，本文主要介紹了有源電子式電流互感器的發展與特點，并設計了一種基于 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，具有較好的應用前景。

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