高压系统电流检测新技术的研究及电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)

高压系统电流检测新技术的研究及电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

电流互感器乃是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，再由光纤传递电压侧进行光电转换变成电信号输出。 有源型光电电流互感器的方框图如图 21 所示。 有源型光电电流互感器可以分为两种 ：压频转换式和 A/D 转换式。 （ 1）压频转换式光电电流互感器结构框图如图 22所示： 采样线圈将流过母线的电流转化为电压信号，通过压频转换电路，即 V/F转换部分，经过 V/F 转换后电压的变化将转换为脉冲频率的变化。 电脉冲信号经过电光变换器件（ E/O 变换）后，变为光信号，经过光纤传到低压端，低压端的光电转换器件（ O/E 转换）将光信号还原成电信号，再经过频压转换电路即 F/V转换部分通过信号处理单元最后进行显示。 压频式光纤电流互感器的主要优点是： （ 1）结构简单 （ 2）精确度抗干扰性能比较高 （ 3）比较适合信号源距离传输 采用压频变换的方法可以减少低压端和高压端之间连接光线的数量。 目前的集成 V/F 和 F/V 变换电路，比如 Analog Device 公司的 ADVFC32 芯片能够通过引脚连接方式不同实现 V/F 变换或者用于 F/V 变换，精确度也不错（再 10KHz 的条件下最大的误差为 %）。 但是该芯片正常工作功耗比较大（ 25mA 左右），这将需要更大的功率来支持高压侧电子线路的工作，势必带来高压侧电源设计的复杂性，同时使整个系统的起始工作的最小电力母线电流变大，减小了系统的测量范围。 （ 2） A/D 转换式 光电电流互感器 A/D 转换式光电电流互感器的结构框图如图 23 所示： 整个系统分为高压子系统和低压子系统两个部分。 两个系统用光纤连接起来，高压子系统包括传统线圈、积分电路、高压端供电电源、 A/D 转换器、时序协调电路和 E/O、 O/E 转换器。 低压子系统包括 O/E、 E/O 转换器、 D/A 转换器时序发生电路和信号处理电路。 在高压子系统中才用传统线圈取得电流信号送入电子转换电路中，电子转换电路将这一正弦电流信号调制为数字脉冲信号，再驱动发光元件转换成光信号，通过光纤光信号就被传送到地面监控室中。 在低压子系统将接受 到的光信号反变换成电信号，经过放大送入仪器仪表。 A/D 转换式光电电流互感器的主要优点是： （ 1）目前 A/D、 D/A 转换器的转换精度很高，可以通过寻用合适的 A/D 转换器来满足系统对精确度的要求。 （ 2）高压部分的功耗较小 （ 3）低压端具有模拟信号和数字信号两种输出，与光通信系统兼容，给未来的电力通信带来良机。 有源型光电电流互感器优点是长期稳定性好，在现代电子器件可靠行高、性能稳定的条件下易于实现精度高、输出大的实用型产品。 有源型光电电流互感器的技术难点是： （ 1） 传感头去信号绕组的制作。 （ 2） 积分器的设计。 （ 3） 供电电源的设计。 无源型 所谓无源型光电电流互感器乃是传感头部分不需要供电电源，传感头一般基于法拉第效应原理，即磁滞光旋转效应，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调制。 无源型光电电流传感器系统框图如图 24 所示： 无源型结构今年来比较盛行。 其优点是结构简单，且完全消除了传统的电磁感应元件无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是在高压侧不需要电源器件使高压侧设计 简单化，互感器运行寿命有保证。 其缺点是光学器件制造难度大，测量的高精度不容易达到，尤其是此种电流互感器受费尔德（ Verdet）常数和线性双折射影响严重，而且前尚没有更好的方法能解决 Verdet 常数随温度变化和系统的线性双折射问题，所以很难实现高精度测量。 全光纤型光电电流互感器实际上也是无源型的，只是传感头即是光纤本身（而无源型光电电流互感器的传感头一般是磁光晶体，不同于全光纤型的传感器是特殊绕制的光纤传感头），其余与无源型完全一样。 其系统框图如图 25 所示： 全光纤型光电电流互感器的优点是传感头结 构最简单，比无源的容易制造，精度和寿命与可靠性比无源型要高。 但是光纤技术现在还没有达到用于互感器环境的要求，传感光纤对环境具有十分敏感的线性双折射现象，影响测量精度及稳定性。 虽然有的提出了校正时的数值。 此后采用一种螺旋型光纤结构显著地降低了光纤双折射，但是此螺旋光纤会逐渐变质难以长期使用。 另外光纤材料的费尔德常数不够大且随温度变化较大，也影响测量的准确性。 在实现挂网过程中还存在长期稳定性的问题，因此在实际挂网之前需要更深入的研究。 整体设计方案 综合 节，因为有源型光电电流互感器的制作难点在电子学 上易于克服，而无源型光电电流互感器的双折射现象及费尔德常数问题目前还没有找到解决的途径，因此本文决定采用有源型光电电流互感器作为本文设计的目标。 有源型光电电流互感器中，基于 V/F 变换的电流互感器需要非常大的电源来驱动 V/F 变换，而目前所设计的电源很难达到要求，因此本文决定采用 A/D转换式光电电流互感器。 高压侧电路主要有传统线圈、过滤器、 A/D 转换等，在互感器低压侧，灵活的电路设计，除了从光数字信号中恢复出数字电流信号外，还可以通过数字信号电路的处理，便于与微机保护装置、计算机测量和控 制装置及其它数字仪表进行通信和电流数字信号的传送，也可以输出模拟电流信号，以便与传统的仪器仪表对接，利用数字信号处理电路还可以组成光电式电压和电流的复合式互感器，以及将保护和控制集成在一起，也有利于向智能化互感器方向发展。 本章小结 本章系统而简明的介绍了光电电流互感器的概念和分类，并给出了本文设计的总方案。 第三章光电电流互感器供能方案的研究 系统供能电源设计基本原理 供能电源是电子电路工作的基本保障。 随着电子电路日趋集成化和节能化，电源技术也在不断地发展。 实际上，电源电 路的设计已经成为电路设计中关键的一环。 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。 随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。 目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。 它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。 高压侧电源系统的基本性能指标 安全、稳定、可靠地运行是电子式电流互感器应该 达到的基本要求，同时，这也是对电子式电流互感器高压侧电源系统的最基本要求，因为电源使正常工作的必要条件。 除了这些要求外，电子式电流互感器高压侧的电源系统还应具备以下性能指标： （ 1） 一定的输出功率 （ 2） 较短的启动时间 （ 3） 较小的启动电流或电压 （ 4） 输出电压质量好和自身功耗低 （ 5） 极端情况下的防护能力 目前可行的供能方案的分析 目前可行的供能方案主要有母线电流取能供电、电容电流取能供电、激光供电、太阳能供电、蓄电池供电等。 母线电流取能供电 母线电流取能供电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电能，然后经过整流滤波、稳压后为高压侧电路供电。 其供电的能量来自高压母线电流，取能是通过一个套在母线上的磁感应线圈来完成的，母线环周围存在磁场，通过磁场来获取能量。 此功能方式体积小、结构紧凑、绝缘封装简单、使用安全；供电比较可靠、成本低。 设计难点在于电力系统负荷变化很大，母线电流随之变化很大，母线短路瞬时电流可超过十倍额定电流，因此磁感应线圈必须同时兼顾最小、最大两种极限条件，设计一是要尽量降低死区电流，保证在电力系统电流很小时能够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。 电容电流取能供电 由于系统电压在系统运行过程中的变化范围较母线电流要小得多，所以对高压侧电源的设计可以考虑通过高压母线环周围存在。