（农业电气化与自动化专业论文）基于vfc的电子式电流互感器的设计.pdf

目录 摘要1 a b s t r a c t ： 1 绪论1 1 1 新型电流互感器的优点1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 电子式电流互感器的的应用技术问题4 1 4 课题来源、研究内容6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 研究内容6 1 4 3 技术路线7 2 系统设计方案8 2 1 系统组成框图8 2 2 主要元件的选取9 2 3 a d 6 5 2 压频转换器1 0 3 r o g o w s k i 部分的设计1 2 3 1 线圈的选取1 2 3 1 1 r o g o w s k i 线圈参数的计算1 2 3 1 2 r o g o w s k i 线圈在高频、低频电流测量中的应用1 6 3 1 3 r o g o w s k i 线圈的稳态响应和暂态响应1 9 3 2 r o g o w s k i 线圈抗电磁干扰的设计2 3 3 3 调理电路设计2 4 3 3 1 滤波环节2 4 3 3 2 放人电路2 5 3 3 3 高压端有源器件的电源设计2 6 3 4 高压端电子线路的抗干扰的解决措施3 0 3 5 光纤通信模块的设计3 1 3 6 r o g o w s k i 线圈部分的调试3 2 4 v f c 压频转换的设计3 5 4 1 传感信号的处理3 5 4 2 压频转换的选择依据3 6 4 3 对v f c 压频转换的理论分析3 6 4 3 1 压频转换原理3 6 4 4 v f c 压频转换的方式3 8 4 5 电荷平衡式v f c 转换电路的设计3 9 4 6 v f c 压频转换部分的调试4 3 5 低压侧合并单元研究4 6 5 1 合并单元的技术难点4 6 5 2 合并单元设计方案4 7 5 3 同步功能模块的设计4 8 5 3 1 f p g a 产生采样控制信号程序流程设计4 9 5 3 2 看守时钟5 1 5 3 3 f p g a 的外围电路设计5 1 5 4 多通道信息接收和处理模块5 2 5 4 1 接口方案5 2 5 4 2 接口的实现5 3 5 4 3 数据处理方案5 6 6 结论与展望6 4 6 1 结论6 4 6 2 展望6 4 i l 参考文献6 6 致谢7 3 攻读硕士学位期间发表论文情况7 4 i l l 硕士学位论文 墒尊 d l i 。- 电子式电流互感器以其具有高绝缘、无饱和、测量范围大等优良性能 成为电流互感器新的发展方向。随着电子式电流互感器的逐步发展，针对 传感头的工业化、高压端电源、数据调制传输、标准化接口，可靠性和电 磁兼容以及误差补偿等实用化问题进行深入的研究也显得越发的必要和 紧迫。本文主要针对传感头、高压端电源、标准化接口等实用化问题，以 i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器等相关标准为依据，对电子式电流互感 器进行了研究与设计。 采用r o g o w s k i 线圈作为高压电力线上的传感头，将r o g o w s k i 线圈的 输出数字化后，通过光纤传送到低压端进行l e d 显示或恢复成原来的模 拟信号，实现对高压一次电路电流的测量；系统利用光纤数字传输系统实 现高压部分和低压部分的完全电气隔离和实现信号传输，提高了信号传输 的抗干扰能力；设计了基于g p s 同步采样合并单元，采用了一种基于现 场可编程门阵列( f p g a ) 技术和数字信号处理( d s p ) 技术实现合并单 元对多路电子式互感器数字化输出进行接收及处理功能的方法，数据输出 模块将组帧后的数据传送到以太网控制器，继而发送给二次保护测控设 备，为后级测量、保护和控制设备提供了良好接口。压频转换( v f c ) 电 路是整个高压端的核心，本文着重在高压端设计了高精度、高可靠性、低 功耗的v f c 电路。另外本文还对高压端有源器件的供能方案进行了探讨， 提出了一种新的供能电路；对高压端电子线路的抗干扰问题进行了设计和 探讨，提高了整个测量系统的精度。 实验证明，设计的电子式电流互感器线路简单实用，工作可靠，具有 良好的线性度和测量精度，动态测量范围大，响应速度快等性能。相比传 统的电磁式电流互感器，本设计的电子式电流互感器克服了磁饱和、因存 油而引起的易燃易爆等问题，简单有效的解决了高压端与低压端之间绝缘 的问题，而且成本低，体积小，频带宽，具有更大的应用前景。 关键词：r o g o w s k i 线圈；电流互感器；a d 转换：压频转换；合并单元 。基于v f c 的电子式电流互感器的设计 a b s t r a c t e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e rw i t hi t s h i g hi n s u l a t i o n ，s a t u r a t e d ， m e a s u r e m e mr a n g ea n dh i g hp e r f o r m a n c eb e c o m e sc u r r e n tt r a n s f o r m e rn e w d e v e l o p m e n td i r e c t i o n a l o n gw i t ht h eg r a d u a ld e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r , s e n s i n gh e a d ，h i g hp o w e r , t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fd a t a t r a n s m i s s i o n ，s t a n d a r d i z e di m e r f a c e ，m o d u l a t i o na n de m cr e l i a b i l i t yp r o b l e m s s u c ha se r r o r c o m p e n s a t i o np r a c t i c a l r e s e a r c ha l s o a p p e a r s e v e nm o r e n e c e s s a r ya n dp r e s s i n g t h i sa r t i c l em a i n i ya i m sa tt h eh e a d ，h i g hp r e s s u r e s e n s o r , s t a n d a r d i z e di n t e r f a c eo fp o w e r , w i t hp r a c t i c a li e c 6 0 0 4 4 8e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e re t c ，a c c o r d i n gt or e l e v a n ts t a n d a r d sf o re l e c t r i c a lc u r r e n t t r a n s f o r m e ri ss t u d i e da n dd e s i g n r o g o w s k ic o i l su s e da sah i g h v o l t a g ep o w e rl i n es e n s o rh e a d a f t e rt h e o u t p u to fr o g o w s k ic o i l sw a sd i g i t a l i z e d ，t h e nt r a n s m i t t e dt ol o w - v o l t a g e t e r m i n a lt h r o u g hf i b e r - o p t i ct oc a r r yo u tl e dd i s p l a yo rm s t o r et h eo r i g i n a l a n a l o gs i g n a l ，s ot h eh i g h - v o l t a g ep o w e r - s i d eb u sc u r r e n tw a sm e a s u r e d t h e s y s t e mu s e df i b e r - o p t i cd i g i t a lt r a n s m i s s i o nt oa c h i e v eh i g h - v o l t a g es i d ea n d l o w v o l t a g es i d eo ft h ec o m p l e t ee l e c t r i c a li s o l a t i o na n ds i g n a lt r a n s m i s s i o n ， e n h a n c e dt h e s i g n a l i n ga n t i - j a m m i n g b a s e do nt h eg p ss y n c h r o n o u s s a m p l i n gd e s i g n ，u s i n gam e r g eu n i tb a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e sa r r a y ( f p g a ) a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g yo fm u l t i - c h a n n e l e l e c t r o n i cm e r g eu n i t d i g i t a lo u t p u tt r a n s f o r m e r , r e c e i v ea n dp r o c e s s i n g f u n c t i o nm e t h o d ，d a t ao u t p u tm o d u l ew i l ls e to fd a t at r a n s f e r r e da f t e rf r a m e ， a n dt h e ns e n tt oe t h e m e tc o n t r o l l e rf o rt t & ce q u i p m e n t ，s e c o n d a r yp r o t e c t i o n l e v e lm e a s u r e m e n t ，a f t e rt h ep r o t e c t i o na n dc o n t r o le q u i p m e n tp r o v i d e sa g o o d i n t e r f a c e v f cc o n v e r s i o nc i r c u i tw a st h ec o r eo fh i g h - v o l t a g es i d e ，t h i sp a p e r f o c u s e do nt h ed e s i g no fh i 曲- v o l t a g es i d eo ft h e h i 曲- p r e c i s i o n , h i 曲 r e l i a b i l i t y , l o wp o w e rv f cc o n v e r s i o ni n t e r f a c ec i r c u i t i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r a l s od i s c u s s e dp o w e rs u p p l ys c h e m eo fa c t i v ed e v i c e si nh i g h v o l t a g es i d e ，a n e w p o w e rs u p p l yc i r c u i tw a sp r o p o s e d ；t h ee l e c t r o n i cc i r c u i ta n t i - j a m m i n go f h i g h - v o l t a g e s i d e w f l sd i s c u s s e da n dd e s i g n e d a n dt h e a c c u r a c yo ft h e 2 m e a s u r e m e n ts y s t e mw a si m p r o v e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r d e s i g n e d w a ss i m p l ea n dp r a c t i c a l ，w h i c hh a dg o o dl i n e a r d e g r e ea n dm e a s u r e p r e c i s i o n ，a n dc o u l dm e a s u r ec u r r e n ti nt h ew i d e r a n g e t h e s ec u r r e n t t r a n s f o r m e rh a v em a n yv i r t u e s ，s u c h a sr e s p o n s es p e e d i l y , w i d eb a n d w i d t h e r e c o m p a r i n g w i t ht h e t r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c c u r r e n t t r a n s f o r m e r , q u e s t i o n ss u c ha sb e i n gf l a m m a b l ea n de x p l o s i v ec a u s e db yo i l ，t h e m a g n e t i s ms a t u r a t i o na n di n s u l a t i o nb e t w e e nt h e h i g h - v o l t a g e a n d l o w - v o l t a g e ，t h a tt h ee l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e rd e s i g n e dh a sb e e no v e r c a m e b e c a u s eo ft h el o w e o s t ，w i d eb a n d w i d t h s i m p l ea n dp r a c t i c a l i t yt h ee l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e rh a v eg r e a t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：r o g o w s k ic o i l ；c u r r e n tt r a n s f o r m e r ；a dc o n v e r s i o n ； v o l t a g e _ f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；m e r g i n gu n i t 1 绪论 互感器是电力系统中能量计量和继电保护的重要设备，其精度和可靠 性对于电力系统的安全和经济运行起着至关重要的作用。通常的测量和保 护数据不能直接从高电压、大电流上获取，只能通过互感器将一次侧的高 电压、大电流按照定的比例转换成低电压、小电流来获取。这样可以使 测量回路与高电压电网隔离，保证二次设备和工作人员的安全。互感器作 为一种特殊的变压器，它与一般的变压器有着类似之处，但也有其自身的 特殊之处。按照测量参数的不同，互感器可以分为两大类：一是测量电压 用的电压互感器( v o l t a g et r a n s f o r m e r ) ；二是测量电流用的电流互感器 ( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 。电压、电流互感器分别是将一次侧的高电压、大 电流变换成二次侧的低电压、小电流以供给测量仪器、仪表、继电保护和 其他电气设备的电器。本课题主要研究的是电流互感器。 1 1 新型电流互感器的优点 新型电流互感器与传统电磁式电流互感器的比较 表1 - 1 光电互感器与传统电磁感应式互感器的比较 t a b 1 1c o m p a r i s o no f e l e c t r o - o p t i ct r a n s f o r m e ra n dt r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e r 通过表1 1 的比较可以看出，传统的电磁感应式互感器的特点是性能 比较稳定，适合长期运行，并且由于形成规模化生产在价格上有一定的优 势。可是它的空气绝缘，油纸绝缘，气体绝缘和串级绝缘对满足高压与超 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 高压的绝缘要求相对较困难，同时磁饱和问题会造成继电保护装置的误动 或者拒动，此外还有铁磁谐振，易燃易爆及动态范围小等缺点。 相比于传统的互感器，光电互感器无论在安全性，稳定性，可靠性上 都有一定的优势( 张贵新，2 0 0 6 ) ，具体表现如下： ( 1 ) 无油无气不会爆炸。 ( 2 ) 利用光学材料敏感电压和光纤传输信号，不但减少了体积和重 量而且有优良的绝缘性能。 ( 3 ) 不存在铁磁谐振和铁芯饱和现象，克服了由于饱和导致的畸变 以及传统电压互感器在负载时因压降和相位差使测量精度降低等问题，但 o c t 对空间杂散电磁场的干扰是要特别注意的。 ( 4 ) 频带宽，动态范围大，数字输出容量不受限制，可以测量直流 电压。 ( 5 ) 适应了继电保护装置( 包括微机保护) 的发展。由于受传统的 互感器性能的限制，其保护原理基本上是基于工频量进行保护判断的。易 受过渡电阻和系统振荡、磁饱和等的影响，其保护性能难以满足当今电力 系统向着超高电压、大容量、远距离方向的发展要求。利用故障时的暂态 信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向，它对互感器的线性度、动 态特性等都有较高的要求，电子式互感器的出现满足了这一要求。 ( 6 ) 有利于实现变电站数字化、光纤化和智能化。电子式互感器的 信号和传输形式都可以采用光缆( 光纤) 实现，而光信号的突出优点和光 纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更 加可靠和迅速。电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域 网应用于电力系统是变电站自动化的一个重要的发展方向，开创了未来光 纤化变电站的美好前景。 可见，光电互感器有着传统电磁式互感器无法比拟的优点( 许斌斌， 2 0 0 7 ) ，它更能适应当今电力系统发展的潮流，是传统电磁式互感器的理 想替代产品。 通过以上分析，本实验主要研究基于r o g o w s k i 线圈的电流传感器。 山东农业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 尽管早在1 8 9 4 年，在f a r a d a y 发现磁光效应4 9 年之后，就有人提出 用光学原理测量电流的想法，但由于受当时技术条件等原因所限，其研究 仅仅局限于试验和设想阶段，直到2 0 世纪7 0 年代，随着半导体集成电路 技术、激光技术、光纤传输和传感技术的出现，光学互感器才进入了实用 化研究的时期。特别是从8 0 年代后期至今，光学传感技术在电力系统中 的应用研究得到了突破性进展，取得了令人瞩目的成果，美国、日本、法 国和前苏联等国先后研制出多种实用性o v t 和o c t 样机，并在实际高压 电站的长时间运行获得成功。1 9 8 8 年1 1 月，i e e e 学会在美国新奥尔良召 开的“光纤传感器专题会议”上来自世界各国的众多专家学者报告了各自 关于光学电压、电流互感器的最新研究成果，标志着光学电力互感器将从 实验室走向工业现场，开始进入其发展时期。近十年来，美国、日本和法 国等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器的运行及 鉴定的数据，并打出了产品广告，a b b 和西门子公司的o c t 产品已经打 入中国市场。 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 美国于1 9 8 7 年在田纳西州电管局( t 、厂a ) 所属的m o c c a s i n 电 站首次安装了三相1 6 1k v 全f a r a d a y 磁光型组合式光学电压电流互感器。 ( 2 ) 1 9 9 7 年1 月，a b b ( c h r i sd r e i n h o l d ，1 9 9 7 ) 公司推出了额定电 流2 0 0 0a 的1 1 5k v - - 一5 5 0k v 的组合式光学电压电流互感器，该公司还研 制出有源型( 混合型) 数字o c t 和o v t ( p r o d u c tb u l l e t i n ，1 9 9 7 ) ，已经在 世界各地运行。 ( 3 ) 1 9 9 5 年，法国g e ca l s t h o m 公司在美国b o n n e v i l l e 安装了 5 2 5k v 组合式光学电压电流互感器，其后又陆续在荷兰、比利时、加拿 大和法国等国的变电站挂网试运行( b a l t e a us e r i e sc t o v t o c c o ，1 9 9 7 ) 。 1 9 9 7 年，又打出1 2 3k v , - 一7 6 5k v 组合式光学电压电流互感器的系列广告， 其电流传感头采用基于f a r a d a y 磁光效应的环形玻璃结构，电压传感头采 用基于b g o 晶体p o c k e l s 纵向电光效应的结构。 ( 4 ) 日本在八十年代就开始了组合式光学电压电流互感器的研究工 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 作。n g k 公司在1 9 8 6 年5 月研制成功了组合式光学零序电压电流互感器 的样机( m k a n o i 1 9 8 6 ) ，1 9 9 1 年7 月公布了挂网运行的数据。m i t s u b i h i 公司与c h u b u 公司、i m m i 工厂在1 9 9 1 年1 月报道了他们联合研制并挂网 运行的组合式光学零序电压电流互感器( e m e r g i n gt e c h n o l o g i e sw o r k i n g g r o u p ，1 9 9 4 ；罗苏南，2 0 0 3 ) 。 1 2 2 国内研究现状 我国的光学互感器的研究始于8 0 年代，先后有清华大学、电子部2 6 所、北京电科院、上海互感器厂、沈变互感器厂、哈尔滨工业大学、华中 科技大学等多家大学，科研院所和工厂开展这项研究工作，但绝大多数处 于实验室阶段，很少关于挂网运行的报道。至今见于公开报道的挂网运行 仅有三家( 张德赛，1 9 9 9 ) ( 1 ) 最早挂网运行的是由沈变互感器厂与四平电业局共同研制的1 1 0 k vo c t ，于7 0 年代在四平电业局挂网试运行，但后又拆除。 ( 2 ) 1 9 9 1 年，由清华大学和北京电科院联合研制的1 1 0k vo c t ， 通过国家鉴定并挂网试运行，但未见有关运行结果的报道( 李芙英，2 0 0 2 ) 。 ( 3 ) 1 9 9 3 年，华中科技大学和四川理工大学电力系与广东省新会电 力局合作研制出1 1 0k vo v t 和o c t 样机，并于同年1 2 月在新会电力局 挂网试运行，共运行三年半时间，通过国内专家鉴定( 郭晓华，2 0 0 2 ) ， 并获得国家教委科技进步三等奖；1 9 9 8 年与广东顺德特种变压器厂，广 东新会电力局合作研制出带微机保护装置的三相1 1 0k vo v t 和o c t 样 机，并于同年1 0 月在新会挂网试运行，共运行了两年。 总之，光学电压电流互感器的研究已经成为光纤传感技术在电力系统 中应用的热点，国外许多技术发达国家都投入了大量的人力、物力和财力 从事这项研究工作，我国在这方面起步较晚，与国外先进水平还有较大的 差距，随着我国加入w t o ，国外大公司已经将光电互感器市场瞄准了中 国，因此，尽快使我国的光电互感器实用化、产品化，是一项非常有意义 的研究课题，也是我们面临的一次机遇与挑战。 1 3 电子式电流互感器的的应用技术问题 传感头的工业化，高压端电源，数据调制传输，标准化接口，可靠性 4 山东农业大学硕士学位论文 和电磁兼容以及误差补偿等。随着电子式电流互感器进入实用化，围绕实 用化问题进行深入的研究，显得越发的必要和紧迫。 ( 1 ) 传感头的工业化 首先，传感头的工业化要解决测量的稳态精度、暂态精度、以及稳定 性问题，它们是电子式电流互感器进入实用化的根本( pnm u r g a t r o y d 等， 1 9 9 4 ) 。其次，传感头的工业化还应涉及传感头的互换性问题，它是电子 式互感器更好地进入实用化的保证( 申烛等，2 0 0 3 ) 。i e c 的标准指出，电 子式互感器应能在某些元件更换后无需校准仍保持其准确级的要求。 ( 2 ) 高压端电源 高压端电源是电子式互感器传感头正常工作的保证。它的设计要求是： 满足高压端电路的功率需求。必须无间断地长时间稳定工作。不能 破坏高、低压之间的绝缘。在研究过程中，人们曾经提出多种供能方案( 张 曦等，2 0 0 2 ；钱政，2 0 0 4 ) 。现在通常采用的方案为：悬浮c t 供能、激 光供能、蓄电池供能以及它们的组合方案。悬浮c t 供能输出功率大，但 有工作死区。激光电源无工作死区，可靠性高，但是输出功率小( 一般 2 0 0m w 左右) ，成本高。蓄电池存在寿命问题，只用作后备电源。现阶 段，高压端电路的低功耗设计是解决电源矛盾的主要方法。在未来，研制 满足绝缘要求、可靠性高，输出功率较大的电源是十分必要的。 ( 3 ) 数据调制传输 电子式互感器要利用光纤完成从高压端到低压端的数据传输，调制方 式的选择依据( n a p i l l i n g 等，1 9 9 3 ) 为：是否满足低功耗设计的要 求。是否可以保证工作的精度和稳定性。是否满足标准化接1 2 1 的要求。 a d 转换稳定性好，准确度高，低功耗器件多，是目前普遍采用的方 案。现阶段a d 转换方案需要解决的问题有( 靳伟等，1 9 9 8 ) ：如何保证 数据传输的可靠性；如何满足低功耗设计的要求；如何协调数据传输中的 时序( 王少奎，2 0 0 3 ) 。 ( 4 ) 标准化接口 标准化的接口是电子式互感器进入实用化的要求，与二次设备的连接 和产品的校验，都要以标准化接口为前提。近年来，i e c 陆续推出相关标 准，为标准化接口设计指出了明确的方向( 殷志良等，2 0 0 4 ) ，国内关于 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 标准化接口的研究刚刚开始，目前工作主要围绕i e c 标准的分析，接口的 软硬件实现等几方面展开( 李红斌等，2 0 0 4 ；黄智宇等，2 0 0 5 ) 。 ( 5 ) 可靠性和电磁兼容 安全可靠运行是电力系统的基本要求，而作为电力系统基本设备之一 的电子式互感器，同样应具备相应的可靠性水平。i e c 标准明确规定：电 子式互感器的可靠性要求与变电站用电子器件相类似，所以电子式互感器 应同等对待。相对于传统互感器近一个世纪的运行实践经验而言，电子式 互感器还只是一个新生事物，在其可靠性分析、使用寿命预计、连续运行 数据分析以及电磁兼容等方面，有待深入开展工作。 ( 6 ) 系统误差补偿 电子式互感器是由多个环节构成的测量系统，因此系统误差补偿是涉 及每个环节的综合问题。目前，人们从传感器的原理和工艺、电子电路的 误差分析、传输线路的抗干扰等方面，对系统误差补偿做了不同程度分析 和研究( 申烛等，2 0 0 3 ) 。随着电子式互感器各实用化问题研究的深入， 系统的误差补偿研究也将不断深入( 段雄英等，2 0 0 2 ；钱政等，2 0 0 4 ) 。 1 4 课题来源、研究内容 1 4 1 课题来源 本课题是山东鲁能集团的一个科技创新基金项目的前期研究，项目名 称为“电子式电流互感器的研究与应用 。鉴于常规电流互感器不能适应 高压电力系统电流测量和保护的需要，无源电子式电流互感器又因种种困 难难以实现，我们设计了有源电子式电流互感器。为了推动电子式互感器 的实际应用，我们对电子式互感器与保护测控装置的接口进行了设计。 1 4 2 研究内容 围绕电子式电流互感器及其高压侧电路、电源，主要研究内容如下： ( 1 ) 针对目前电子式电流互感器的现状，我们对系统的整体进行了 设计。 ( 2 ) 对r o g o w s k i 线圈的相关参数进行了计算分析，设计了滤波电路、 放大电路以及高压端供电电源，并对r o g o w s k i 线圈部分进行了调试试验。 ( 3 ) 研究设计v f c 压频转换电路。分析了v f c 转换原理，在选择 6 文 电荷平衡式v f c 转换方式的基础上设计了转换电路，并对v f c 压频转换 电路进行调试试验。 ( 4 ) 针对电子式互感器与保护测控装置的接口问题，设计了基于g p s 同步采样合并单元，并对其相关功能模块进行了设计，为以后的进一步研 究打下了基础。 1 4 3 技术路线 本文的技术路线如下： i 设计系统框图 山 同步功能模块的设计 i 对r 。g 。w s k i 部分的设计山 山 光纤传输的设计 i 对r 。g 。w s k t 部分调试试验 占 f p g a 模块的设计 山 i 压频转换的设计 0 小 d s p 模块的设计 l 压频转换调试试验 上 山 数据输出模块的设计 i 对高压侧传感头的调试实验 图1 1 技术路线流程图 f i g u r el - lt e c h n i c a lr o u t ec h a r t 基于v f c 的电子式电流互感器的没计 2 系统设计方案 2 1 系统组成框图 针对我们需解决的问题，我们设计了基于r o g o w s k i 线圈和v f c 的 e c t ( 电子式电流互感器) 系统框图，如图2 1 所示： 图2 - i 基于r o g o w s k i 线蒯和v f c 的e c t 原理框图 f i g 2 1s c h e m a t i cb l o c kd i a g r a mo fe c tb a s e do nr o g o w s k ic o i la n dv f c p 为一次侧的被测电流，经过r o g o w s k i 输出u r o g 何，u r o g ( t ) 被测电流 的微分函数，g 何经过调理电路的滤波和信号放大后得到u o ( o ，然后u o ( o 传输给v f c 电路。电压信号经过压频转换，变成数字信号后，再经过e o 转换调制成光信号。利用光纤传送至低电位的二次回路，再二次回路再经 过o e 光电变换，对信号进行处理后，将信号送到合并单元中的数据接收 模块，利用f p g a 实现合并单元对信号进行接收、校验和排序，再传输 给d s p ，经过d s p 对信号滤波、相位补偿后再将信号传送到二次设备。 光纤在这里即起到高、低端的联系作用，又起到高、低端的电磁隔离作用 ( 胡娟，2 0 0 2 ) 。 园圉 另外在高压端应用了一些有源器件，所以在高压端要加一个供电模块 给这些有源器件提供一个可靠的电源，供电模块和电源模块是保障光电互 感器正常工作的关键。 2 2 主要元件的选取 本课题的主要设计部分有：r o g o w s k i 线圈的设计，调整电路中滤波 器和放大电路的设计，高压侧电源的设计以及a d 转换部分的设计。 ( 1 ) 在对r o g o w s k i 的设计中采用塑料圆环作骨架漆包铜线为绕线的 r o g o w s k i 线圈。 ( 2 ) 在滤波电路、放大电路中选取的运放是o p 0 7 。 ( 3 ) a d 转换中选用的转换器a d 6 5 2 是美国模拟器件公司( a d i ) 推 出的一种高性能同步v f 转换器( s v f c ) 。 图2 - 2 v f c 转换器a d 6 5 2 f i g 2 - 2a d 6 5 2v f c c o n v e r t e r ( 4 ) 光纤选用的武汉启晨科技有限公司生产的单纤双向t t l 光收发 一体模块n m 7 3 2 5 。 图2 - 3 单纤双向r r l 光收发一体模块n m 7 3 2 5 。 f i g 2 - 3s i n g l ef i b e ro p t i c a lt r a n s c e i v e ri n t e g r a t e dt w o - w a yt t ln m 7 3 2 5 m o d u l e , ( 5 ) f p g a 选用的是a l t e r a 公司生产的c y c f o n e 系列的e p l c 3 t 1 4 4 c 8 。 9 嬲o，p：函，乳融 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 ( 6 ) d s p 采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 。 2 3 a d 6 5 2 压频转换器 a d 6 5 2 是美国模拟器件公司( a d i ) 新近推出的一种高性能同步v f 转换器( s v f c ) 。a d 6 5 2 是单片电荷平衡式电压频率转换器一a d 6 5 0 的 改进型，除了最大满度输出频率由1m h z 改为2m h z 外，关键之处在于 s v f c 不使用高质量、低漂移的电容器构成单稳多谐振荡器作为基本的定 时电路。 ( 1 ) 特点 采用外部时钟定时，所以具有下述特点： 1 ) 采用外部时钟设定满度频率，使a d 6 5 2 在线性度和稳定性方面远远 优于其它的单片v f c 。采用同一时钟来驱动并且通过适当的分频器设定 计数周期，使转换精度不受时钟频率变化的影响。 2 ) a d 6 5 2 同步电压频率转换器仅需一个外部元件( 一个要求不高的 积分电容器) 便可工作。 3 ) a d 6 5 2 内部有一个由缓冲器输出的精密电压_ 5v 基准电压，可供 外电路使用。 4 ) a d 6 5 2 的时钟脉冲输入可与t t l 和c m o s 兼容，而且也可以由负电 源工作的信号源来驱动。灵活的集电极开路输出级为1 v r l ，c m o s ，光耦 合器件和输出变压器提供足够的吸收电流。由电容决定的单稳多谐振荡器 可选择最佳输出脉冲宽度以降低功耗。 5 ) a d 6 5 2 还可用来组成同步频率电压转换器以便隔离模拟信号传 输。 6 ) s v c f 输出与外部时钟同步，所以容易与计数器，微处理器等连接使 用。尤其适用于多通道系统，可消除多个非同步频率源的干扰问题。 ( 2 ) 主要参数及功能 1 ) 主要参数 满度转换频率：2m h z ( 最大) 时钟输入频率：4m h z ( 最大) 线性误差：0 0 0 5 ( 最大) ，1m h z f s 0 0 2 ( 最大) ，2m h z f s l o 电源电压：6v 1 5v , + 1 2v ( v s = o ) 嚣 l “羞穗卜 $ v 亨c lf v 羞穗r 一 一 厂连 d 銎 驿 测 l = ：，； 图2 4 d i p 封装示图 f i g 2 - 4d i pp a c k a g es h o wm a p 2 ) 引脚定义 a d 6 5 2 的陶瓷浸溃双列直插( d i p ) 封装的引脚排列如表2 1 所示： 表2 - 1a d 6 5 2 引脚排列 t a b 2 1a d 6 5 2p i na r r a n g e m e n t 引脚dip 引脚 9 1 旦 + v s 调整 调整 运放输出 运放“- ” 运放“+ ” 1 0 v 输入 v s 失调电容c o s 频率输出 数字地 模拟地 比较器“” 比较器“+ ” 比较器基准 i 0时钟输入 2 0 n 屹 b m 坫 m 掩 侈 l 2 3 4 5 6 7 8 9 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 3 r o g o w s k i 部分的设计 3 1 线圈的选取 经过前面的分析，本实验选取的是r o g o w s k i 线圈，该线圈实质上是 一组导线线圈缠绕在一个非磁性骨架上组成的，可以将导线缠绕在一个弹 性管上然后将其两端弯在一起而构成，它的二次侧负载一般是大电阻。英 国伦敦的c o o p e r 在1 9 6 3 年从理论上对r o g o w s k i 线圈的高频响应进行了 分析，奠定了罗氏线圈在大功率脉冲技术中应用的理论基础。长期以来， 罗氏线圈一直用于高温等离子体及受控热核反应研究中。在这些研究应用 中，常常需要测量快速变化的大电流的幅值和波形，在这种情况下，采用 罗氏线圈进行测量是一种简易可行的方法。 由于线圈与原边被测回路没有直接的电气连接，因此对原边信号影响 比较小，此外线圈的芯架使用非铁磁材料，所以其上升时间可以做到很小， 在其传统的应用领域中罗氏线圈不断朝着快速响应的方向发展，目前响应 速度可以做n d , 于1n s 。 3 1 1 r o g o w s k i 线圈参数的计算 ( 1 ) r o g o w s k i 线圈互感的计算 r o g o w s k i 线圈横截面形状不同，r o g o w s k i 线圈电流传感器的互感系 数不同。下面分别介绍横截面为矩形和圆形的r o g o w s k i 线圈的互感系数 的计算。横截面为矩形的r o g o w s k i 线圈测量电流的示意图如图3 1 ( 8 ) 所示。铜线匀绕在一个非磁性骨架上。根据全电流定律： h d l = i 则 日：上 2 a t ( 3 1 ) 从而有 b = d o h2 筹 ( 3 _ 2 ) 1 2 山东农业大学硕士学位论文 d o ) = 一 。d t ( 3 3 ) 有 伊= 归= 睁= 参批等- n 鲁c 3 4 ， 则总磁链为 = n 妒 ( 3 5 ) 所以感应电势p 俐为 p 彬：塑：一1 t o n h1 n r 2d i(3-6) “ 衍2 万兄西 式中：f _ 导体中流过的瞬时电流，a ； 刀一r o g o w s k i 线圈骨架的任意半径；m ； a o 一真空磁导率，4 n x 1 0 。7 h m ； 一r o g o w s k i 绕组匝数； 日一骨架高度，m ； 尺：一骨架外径，m ； r ，一骨架内径，m 。 绕组互感m m - t o 尝- 噜 c 3 。， z 万a ， 同理，对于圆形截面的r o g o w s k i 线圈，如图3 1 ( b ) 所示，互感m 为 m ：型坠( 3 - 8 ) 2 ( 吐+ d ? 一d ；) 式中，d 。一线圈的平均直径；m ； d 2 一线圈截面的直径；m 。 基于v f c 的电子式电流互感器的设计 h 图3 - 1 横截面为矩形和圆形的r o g o w s k i 线圈 f i g 3 - 1r e c t a n g u l a ra n dc i r c u l a rc r o s ss e c t i o no f t h er o g o w s k ic o i l ( 2 ) r o g o w s k i 线圈等效回路模型分析 当r o g o w s k i 线圈接上外接积分器输入电阻后，则可将整个测量回 路等效为图3 2 所示电路，f ，和h ( 0 分别为被测电流和线圈中流过的感应 电流，l o 、凡和c o 分别为线圈的自感系数、内阻和分布电容，以为输入 电阻端电压，则有 一m 掣咆c 0 掣+ ( 鲁讽c o ) 掣+