光電式電流互感器設計

閔家新 何淼 閆順 王遠航 劉美璇

摘 要：目前，我國電力行業大多使用傳統的電磁式電流互感器存在許多問題，如絕緣性不好、成本高、體積大，已經不能滿足新的發展需求。本文首先分析光電式電流互感器的工作原理，然后選擇光電式電流互感器的類型和供電方案，最終設計了一款以Rogowski線圈和V/F變換為基礎的光電式電流互感器。

關鍵詞：光電式電流互感器;VFC;激光光纖供能

中圖分類號：TM452.93文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）01-0035-03

Abstract： At present， most of China's electric power industry uses traditional electromagnetic current transformers. There are many problems， such as poor insulation， high cost， and large volume， which can no longer meet new development needs. This paper first analyzed the working principle of the photoelectric current transformer， then selected the type and power supply scheme of the photoelectric current transformer， and finally designed a photoelectric current transformer based on Rogowski coil and V/F transformation.

Keywords： photoelectric current transformer;VFC;laser energy supply

1 光電式電流互感器的工作原理

光電混合式電流互感器工作原理如圖1所示。在對高壓電流進行測量的過程中，傳感頭（Rogowski線圈）感應被測電流，并形成與之相對應的電壓信號。然后，借助高壓側信號處理電路將模擬電壓信號轉換為數字光脈沖信號，然后利用光纖信號傳輸系統向低壓側傳輸。通過光脈沖的方式傳輸檢測系統，能為光纖提供便利，同時也能提升系統的抗電磁干擾性能。由于高壓側電路通過電子器件實現對電流信號的轉換，因此必須要具備穩定的供電電源。光纖在傳輸高壓側和低壓側電路數據的同時，還能傳輸光功率，為高壓側電路提供必要的電源[1-3]。

2 光電式電流互感器的類型選擇

若以信號采樣方式、高壓側信號處理模式為劃分依據，可將光電式電流互感器劃分為以下3種類型。

2.1 調幅式

調幅式光電式電流互感器的工作原理為：傳感頭對被測電流進行感應并輸出電壓信號，對電壓信號進行E/O轉換后，可將電壓信號轉變為模擬光信號，然后由低壓側對模擬光信號進行O/E轉換，并通過信號調理電路實現濾波和放大，最后利用解調器實現對被測電流的還原。

調幅式光電電流互感器具有結構簡單、響應速度快等優勢。但是，在進行E/O轉換和O/E轉換的過程中，會出現功率不穩定的問題，且借助光纖信號傳輸電路向低壓側傳輸的模擬光信號抵御外界干擾的能力較差，由此破壞系統的精確度和穩定性，在實踐運用過程中面臨諸多障礙[4]。

2.2 ADC式

傳感頭被測電路進行感應并輸出電壓信號后，借助積分器實現對電壓信號的積分處理，并完成A/D轉換，將電壓信號轉變為數字電信號。然后完成E/O轉換，將數字電信號轉變為數字光信號，并通過光纖信號傳輸系統向低壓側傳輸，繼續進行O/E轉換、濾波放大和D/A轉換，實現對被測電流信號的還原。ADC式光電電流互感器的測量功能，以采樣周期符合采樣定理為基礎，具有轉換精度高、反應速度快、功率消耗低等優勢。但與此同時，ADC轉換過程中存在嚴重的時序不同步問題，必須在系統中添加時序控制電路，實現向高壓側傳輸時鐘信號的效果。此時，需要引入雙光纖信號傳輸系統，一根光纖用于傳輸數字光信號，另一根光纖用于傳輸時鐘信號，而這會加劇系統電路的復雜性，隨之提升系統的功率消耗[5]。

2.3 VFC式

傳感頭對輸出的模擬電壓信號進行感應后，借助信號調理電路進行濾波和放大，并利用壓頻轉換器轉換為頻率脈沖信號。此時，頻率脈沖信號對LED產生驅動作用，促使LED導通亮起并由此轉換為光脈沖信號，然后再借助光纖向低壓側傳輸。由低壓側對光脈沖信號進行O/E轉換，將其轉變為電脈沖信號，由單片機的脈沖計數器計量脈沖個數，獲取被測電流的數字輸出信號，或利用壓頻專戶F/V，實現對被測信號的還原。對比ADC模式來看，VFC模式具有結構簡單、抗電磁干擾能力強等優勢，在遠距離傳輸系統或多路信號傳輸系統中具有良好的運用價值[6]。綜上所述，最終選擇構建VFC式光電電流互感器系統。

3 供電方案的選擇

3.1 蓄電池供電

蓄電池供電是指在高壓母線上安裝交流電源，借助分壓器實現對穩壓電流的濾波、整流，并由此達到為蓄電池充電的效果。這樣一來，蓄電池即可為轉換探頭提供穩定的電源。蓄電池供電的優勢在于結構簡單、實現難度低、成本低，但也存在使用壽命短、安全隱患多等缺陷。

3.2 太陽能供電

太陽能供電主要是利用光伏效應，將太陽能電池作為轉換探頭的電源來源。與其他供電模式相比，太陽能供電由于受到晝夜交替、天氣變化、光照強度等外界環境的干擾，因此其輸出的電源并不穩定，轉換功率也難以取得理想的效果，在實際運用中受到阻礙，推廣范圍相當有限。

3.3 輸電線CT取電

輸電線CT取電是指將含有鐵芯的線圈安裝到高壓母線上，借助線圈來感應高壓母線電流，并輸出響應的感應電流信號，然后借助整流、濾波等，為轉換探頭提供穩定的電源。與其他供電方式對比，輸電線CT取電對元件絕緣性能的要求較低，且具有結構簡單、運行穩定等優勢，但也存在如下缺陷：若母線電流為空載狀態時，無法為轉換探頭提供穩定電流;若母線電流大于額定電流或電路電流，必須在電路中添加保護機制，否則會燒毀后續電路，破壞系統的安全性能[7]。

3.4 激光光纖供能

激光光纖供能以低壓側的半導體激光器為關鍵元件，其所發射的光信號借助光纖信號傳輸系統向高壓側電流傳輸，在光電轉換器的作用下，從光信號轉變為電信號，并通過DC-DC轉換，為高壓側測量系統提供穩定的電能。激光光纖供能具有供能穩定、不受外界環境干擾、實現電氣隔離等優勢。隨著光電技術的飛速發展，大功率激光器的壽命持續延長，性能也得到充分改善，這為激光光纖供能作為光電式電流互感器供能方式創造了良好的條件。

對比以上幾種不同的供能方式可知，激光光纖供能具有無可比擬的優越性，符合高壓側電子線路對供電系統的需求。鑒于此，此次設計將光電式電流互感器的供電方式明確為激光光纖供能。

4 系統總體設計方案

以Rogowski線圈為基礎的光電式電流互感器包含5個重要部分，分別為傳感頭、高壓側信號處理電路、光纖信號傳輸電路、低壓側信號處理電路以及激光光纖供能電路。基于Rogowski線圈和V/F轉換的光電式電流互感器如圖2所示。

從高壓側部分來看，Rogowski線圈的傳感頭會感應流過被測高壓母線的電流，并輸出相應的電壓信號，然后借助有源器件對高壓信號進行處理;從信號傳輸部分來看，高壓側向光纖信號傳輸電路輸送耦合形式的數字光脈沖信號，由光纖信號傳輸電路以數字光脈沖信號的形式向低壓側電路傳輸;從低壓側信號處理部分來看，低壓側在接收到來自光纖信號電路所傳輸的數字光脈沖信號后，借助O/E轉換，實現對被測電流信號的還原，最終獲得電流幅值;從供電部分來看，將激光作為電源，由光纖輸送電力，借助大功率激光器取得電能后，利用光纖信號傳輸系統向高壓側傳輸電源，并在光電池的作用下將電流信號轉變為電能，最后執行DC-DC變換。

5 結語

本文通過選擇電流互感器的類型和供電方案，設計了一款以Rogowski線圈和V/F變換為基礎的光電式電流互感器。在該互感器系統中，光能來源于激光電源，借助耦合向光纖傳輸光電，并利用光纖向高壓側傳輸電能，實現對轉換探頭的供電，為電子線路的正常運轉提供保障。

參考文獻：

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