盛肖煒

摘 要：當(dāng)前隨著我國(guó)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(cè)量范圍大、無(wú)飽和的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)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(guò)光電子、光纖傳感技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)電流進(jìn)行測(cè)量，其適應(yīng)了電力計(jì)量與保護(hù)自動(dòng)化、微機(jī)化發(fā)展的需要，是未來(lái)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(duì)其中的有源電子式電流互感器展開(kāi)具體論述。

1 有源電子式電流互感器概述

在我國(guó)整個(gè)電力系統(tǒng)中，電流互感器是一個(gè)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(cè)量等方面發(fā)揮著極為重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，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(wèn)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(wèn)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(lèi)：一是無(wú)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(guò)光纖傳輸系統(tǒng)能夠把光測(cè)量信號(hào)傳送出去，因此不用進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，也就無(wú)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(duì)一次傳感器中的電輸出信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換之后，才能夠通過(guò)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(duì)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(kāi)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(huì)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(jiǎn)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(wèn)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(duì)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(hào)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(lái)，對(duì)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(guò)光纖進(jìn)行連接，其主要作用在于以下兩個(gè)方面：一方面可以進(jìn)行光信號(hào)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(guò)Rogowski線圈（羅氏線圈）開(kāi)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(duì)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(hào)的目的，則必須利用外接積分器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效還原?；谏鲜鲈砜梢钥闯?，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(hào)的精確性，方能夠確保后續(xù)的信號(hào)數(shù)字變換準(zhǔn)確無(wú)誤。

由于Rogowski線圈并不含有鐵芯，因此也被稱(chēng)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(hào)十分的微弱，通常處于幾十至幾百毫伏?；诖朔N情況，該信號(hào)在輸送的過(guò)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(hào)處理時(shí)必須通過(guò)積分的環(huán)節(jié)，著必然會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)一定程度的衰減。對(duì)此，為了避免這些微弱的感應(yīng)電壓信號(hào)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(hào)的有效放大。

Rogowski線圈所得的信號(hào)經(jīng)過(guò)積分、放大等等環(huán)節(jié)后，會(huì)進(jìn)入到V/F轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，通過(guò)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(duì)脈沖頻率的測(cè)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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電流下展開(kāi)工作等等優(yōu)點(diǎn)。

在整個(gè)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(guò)接收高壓子系統(tǒng)中的光脈沖信號(hào)，并將其在此還原成模擬的電信號(hào)，其主要過(guò)程如下：首先通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光纖輸送至的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)；其次，由F/V反變換，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)，并通過(guò)示波器進(jìn)行顯示。此外，可以將此信號(hào)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(guò)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(gè)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(hào)處理轉(zhuǎn)換線路的運(yùn)行功耗均來(lái)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(jiǎn)化工作，以最小功耗進(jìn)行信號(hào)的處理，達(dá)到精確測(cè)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(duì)V/F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)展開(kāi)了具體分析。該系統(tǒng)中，應(yīng)用了LM331芯片，其動(dòng)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(guò)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(jiǎn)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L(zhǎng)M331V/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(guò)輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，而輸出端（f0）屬于是邏輯低電平，此時(shí)電流開(kāi)關(guān)合上，由電流源（IR）對(duì)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(duì)電容（Ct）進(jìn)行充電。直至電容（ Ct）兩端的充電電壓超過(guò)電源（Vcc）的2/3，定時(shí)比較器則會(huì)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(dòng)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容（C1）實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)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(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果（f0）產(chǎn)生直接的影響，對(duì)此必須確保元件精度；而電容（C1）即使未對(duì)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(duì)LM331進(jìn)行供電，通過(guò)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L(zhǎng)M331V/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(yǔ)

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(cè)量范圍廣、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉建華，陳慶，張明明，等.有源電子式電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)[J].高壓電器.2009（05）：116-118.

[2] 柏淑紅.PCB空心線圈型電子式電流互感器設(shè)計(jì)[J].變壓器.2012（08）：9-13.

[3] 賀要峰，王玉學(xué)，劉丙申，等.羅氏無(wú)源支柱式電子式電流互感器設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用研究[J].電測(cè)與儀表.2011（11）：80-83.

[4] 王曉艷，魏新宇.一種VFC式電子電流互感器的設(shè)計(jì)[J].廣東輸電與變電技術(shù).2008（05）：9-11.

[5] 陳玉斌.電子式電流互感器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè).2009（21）：26-27.

[6] 邱紅輝，段雄英，鄒積巖.基于數(shù)據(jù)融合的組合結(jié)構(gòu)電子式電流互感器設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù).2006（15）：14-20.

[7] 張興旺.基于Rogowski線圈傳感的有源式電流互感器的研究[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào).2007（01）：35-37.