（电机与电器专业论文）用于激光供能ect的低功耗光电传输系统.pdf

用于激光供能e ( 玎的低功耗光电传输系统 a no p t o e l e c t r i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o nf o r o p t i c a l l yp o w e r e d e l e c 仃o n i cc u r r e n tt r a l l s f o r m e r a b s t r a c t c u r r e n tt r a n s f o m e rp l a y s 抽1 p o r t a n tr o l ea sak i n do fh i g h - v o l t a g ee q 试p m e n t si np o 、v e r s y s t e m 。i ti sa p p l i e di nr e l a yp r o t e c t i o n ，s y s t e mm e t e r i i l ga 1 1 da 1 1 “”i so fp o w e rs y s t e m i th a s ac l o s er e l a t i o n 、 r i 廿1t 1 1 es e c u r i t ya f l dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m b e c a u s et h ee l e c t m m a g n e t i c c u r r e n t 仃a n s f o r m e r s l a v es c r i e so fs h o r t c o m i n g si np o w c rs y s t 鼬、析也1 1 i g h e rv o l t a g ea n d h i 曲e rc a p a c i t y ，i ti sd i m c u i tt ok e 印u p 、i t 1t 1 1 er e q 试r e m e n to fa u t o m a t i ca 1 1 dd i g i 诅1s y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt or e s e a r c han e w 心n do fc u r r e mt r a n s f b m e rf o r h i g h a c c u 豫c ym e a s u r e m e n ts u c ha se l e c t r o l l i cc u r r e m 衄m s f o 吼e r ( e c t ) w l l i c hb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ，c o n 姐u n i c a t i o na n dd s p n l ep r o b l e mo fp o w e rs u p p l y o n h i g h v o l t a g et 黜1 i n a li so n eo f 血ek e yp o i n t so f t h er e s e a r c ho f e c t i nt l l i sp 印e r ，血ed c v e l o p m e n to fe l e c 订o i l i cc u r r e m 订趾s f b n n e ra th o m ea i l da b r o a di s d e s c r i b e d ，a i l dm er e a l i z e de c tp o w e rs u p p l ys c h e m e sa r es m m 撕z e d b a s e do nt h e c h a r a c t e ro fe c tw 1 1 i c hi s d e v e l o p e dm o l l r l a b o r a t o r y ，o p t i c a lp o 、v e rs u p p l ya n dt h e o p t 0 一e l e c t r i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c h h a sm o r ep o w e r c o n s u m p t i o ni ne c t a r er e s e a r c h e d t h cs u p p l ys c h e m ew h i c hi s 印p l i e da i l di t sd e v i c ec h a r a c t e rc o m eu p i nt h i s p a p e r ，a 1 1o p t i c a lp a w e rs u p p l yi n i h i c hs u p p l y a 1 1 dc 州e rw a v ec a nb e m u l t i p l e x e df o rh i 曲v o l t a g ee c ti sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d em ed r i v i ng ，p r o t e c t i n ga i l d t h e n n a l c o n t r o l i i n gc i r c u i t0 fh i g hp o w e rl 解e r ，a n dc o n v e r t e ro nh i g h v o l t a g et e n i n a l i n t h ec a s eo fn o ti n n u e n c i n gm es t e 8 d yo p t i c a lp o w e r - s u p p l y ，m ed a t at r a t l s m i s s i o nc a l lc o n s i s t o f b r i e f 砷嚣r m p t i o n so fm eo p t i c a lp o w e r - s u p p l y t h ed a ：七ac a i lb ep i c k e do f fb yad e c o d i n g c i r c u i ta d d e dt om ep o w e r _ c o n v e r s i o nc i r c l l i to nm 曲一v o l t a g et e m l i n a l t h e r e f o r e ，t h es y s t e m i ss i m p l m e da 1 1 d 也ep o w e rc o l l s u r r l p t i o ni sl o w e r t ki m p r o v e dc i r c u i 乜yd r i v i n g 矗b e r t r a n s m m e ri np r i m a r yc o n v e n c rw o r k sr e i i a b l y 、i mo n l yaf b wm w sa v e r a g ep o w e r c o n s u m p t i o n ，a i l dt h et o t a ip o w c rc o n s u r n p t i o no fp r i m a r yc o n v e r t e rc a nb el i m i t e dt oo n l y 4 0 m w ，s on l eo u t p u to f t h eo 面c a lp o w e r 一8 u p p l yi sc u td o w nm u c h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w 也a tm o r em a l l3 0 0 m w sp o 、牝ri ss u p p l i e d ，姐dd a i ac a i lb e 仃a n s m i 他da tb a u dr a t ea s f a s ta s2 0 0 k b s ；a 1 1 dt h eb a u dr a t ei s2 m b sa tt l l eo p p o s i t ed i r e c t i o n t h eb a u dr a t e 、v i l lm e e t t h ec o m m u n i c a t i n gd e m a n do f m ec t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c sc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；o p t i c a lp o w e rs u p p i y ：p r o t e c t i n g ；l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ；f i b e rc o m m u n i c a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：鱼煎日期：竺! ! ! 墨 大连理工大学硬士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或都分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名：是焦茎 墨翌年乏月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 电流互感器是电力系统中最重要的高压设备之一。它被广泛地应用于继电保护、系 统监测、电力系统分析之中。传统的电流互感器是电磁感应式的，在正常条件下使用时， 电流互感器的一次绕组串联在回路里，二次绕组经负荷( 测量仪表和继电器) 闭合，并 保证通过的负荷电流与一次绕组的电流成正比。这样，通过测量二次绕组电流，便可以 方便地计算出一次绕组中电流的大小【i 。 在电力系统中，电流互感器按其用途可以分为测量用电流互感器和保护用电流互感 器。测量用电流互感器的主要用途是将被测量的电流信息传递给测量仪表。这种电流互 感器通常安装在不能直接连接测量仪表的高压回路中或大电流回路中。其二次绕组接入 电流表、功率表和类似仪器的电流线圈中。因此，测量用电流互感器的主要作用是将母 线电流变换为用标准仪器可以直接测量的电流；同时，在高压回路与维护人员、测量仪 表之间提供可靠的绝缘。保护用电流互感器的用途是将被测量的电流信息传递到保护和 控制装置中，从而实现对电力系统的保护和控制。它的主要作用是将母线电流变换成可 以供给继电保护装置的电流：同时，在高压回路与维护人员、测量仪表之间提供可靠的 绝缘【1 ，10 】。 1 1 传统电流互感器存在的缺陷 因为传统的电磁式电流互感器的原边接高压母线，原边的导线与二次侧线圈及铁芯 间要有很高的绝缘，所以在高压状态下安置的电流互感器有价格高，体积大，重量重等 缺点。除此之外，传统电流互感器还有以下几个典型的缺剧1 j 由】： 1 ) 有发生灾难性事故的危险，如超高电压充油电流互感器的爆炸事故； 2 ) 如果二次侧开路会出现高压现象； 3 ) 短路电流引起电流互感器铁芯过饱和，励磁电流成几十倍上百倍的增大，会引 起电流互感器二次电流数值和波形的严重失真，继而引起系统保护误动作； 4 ) 测量动态范围小，频带窄； 5 ) 铁磁共振效应，磁滞效应； 6 ) 有电磁干扰现象； 7 ) 传统电流互感器输出不能直接与计算机相连。 上述问题说明，传统的电磁式电流互感器已经难以满足现代电力系统的在线检测、 高精度故障诊断、计算机控制与管理等发展的需要，寻求更理想的新型电力互感器已势 在必行。通过科学技术的不断进步和系统工作人员的不断改进，利用光电原理完成检测 用于激光供能b c t 的低功耗光电传输系统 的光电式电流互感器已成为当今发展的主流，取代传统的电磁式互感器已成为发展的必 然趋势1 2 t 1 3 1 。 1 2 国内外对电子式电流互感器的研究现状 电子式电流互感器( e c t ) 是一种利用光学或电学效应进行信号侧采集及传递的新 型电流互感器。随着电子学的发展和成熟，国内外很多大学和研究机构开始投入精力研 究电子式电流互感器。发展到现在，已经取得了很大的进步1 1 4 4 ”。 自上世纪6 0 年代光学电子式电流互感器兴起以来，已经历了近半个世纪，这期间 各个国家做了许多研究工作。早期以基于光学效应的光学电子式电流互感器( o c t ) 的 研究居多。到2 0 0 0 年为止，德国a b b 公司已经研制出可用于6 9 l ( v 到7 6 5 k v 电压等级 的o c t ，测量范围为5 a 2 k a ，准确度达o 2 级；美国的五大电力公司各自在1 9 8 2 年左 右成立了o c t 专题研究小组，而且研制成功了1 6 1 k v 独立式o c t ；法国的a 1 s t o m 公 司利用f a r a d a y 效应研制了一套电子式电流互感器，在3 0 5 0 的范围内准确度达到o 2 级，他们研制的3 6 2 k v 电子式电流互感器已经在2 0 0 0 年向l c r a 和c i n e r g y 等美国 公司供货。2 0 0 0 年8 月，a l s t o m 公司研制的光学电流互感器在美国德州挂网运行； 2 0 0 1 年1 0 月，n x t p h 够e 公司的三相c o v c t n x v c t 在h y d r oq u 曲e c 成功安装， 所采用的是全光纤传感头：日本的东芝、东电、佳支等公司除研究5 0 0 k v 、1 0 0 0 k v 高 压电网计量用的o c t 外，还进行5 0 0 k v 以下的直到6 6 k v 电压等级的零序电流、电压 互感器适用的光学c 聊t 的研究：三菱公司制造的6 6 k v 、6 0 0 a 的组合式光学零序电 流电压互感器，经过长期运行试验，满足j e c l 2 0 1 1 9 8 5 标准，已在1 9 8 9 年末通过试验 鉴定f 5 ，6 ，1 引。 我国在这方面的研究起步比较晚，上世纪8 0 年代才开始，相对其它国家比较落后。 清华大学、华中科技大学、西安交大、上海科技大学( 现上海大学) 、燕山大学、华北 电力大学、武汉大学、电子部2 6 所、北京电科院、沈阳互感器厂和上海m w b 互感器 制造公司等都在这方面投入相应的人力、物力，我校也作了相应的研究工作，并取得了 一定成果。清华大学和中国电力科学院共同研制1 1 0 k vo c t ，于1 9 9 1 年通过国家鉴定 挂网运行。2 0 0 2 年，清华大学研制的11 0 k v0 e c t 样机在山东挂网运行，其保护为 r o g o w s k i 线圈，计量传感器为c t 。华中科大与广东新会供电局合作研制1 1 0 k v ， 1 0 0 一3 0 0 a o c t 精度达o 3 级，于1 9 9 3 年在广东大泽变电站挂网运行。2 0 0 1 年华中科技 大学与广东莱公司合作研制的l l o k v 光电电流互感器已在梅州挂网。燕山大学光电子技 术研究所也研制出额定电压1 1 0 k v ，电流1 k a ，精度达0 2 级的o c t 样机，准备挂网运 行嘶，9 1 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 电子式电流互感器的分类 根据供电与否，光电式电流互感器可分为有源型和无源型。有源型电子式电流互感 器又称混合型电子式电流互感器，它将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到低压侧，进行光电变换成电信号后输出。混合 型电子式电流互感器的发展与电子技术的发展密切相关，多年来在电力系统中的应用受 到需要大功率驱动的传统电磁型继电保护装置和二次测量及其它自动装置的制约而随 着微机保护技术和现代测量装置的发展，这些设备不再需要大功率驱动，这种技术进步 为其在电力系统的应用扫清了障碍。同时，计算机技术、现代传感技术、激光技术、新 材料科学等的发展，为成熟地开发混合型电子电流互感器提供了基础嘲。混合型电子式 电流互感器的结构框图如图1 ，1 所示m ，1 2 ，饽】： ； 低电压侧 ； -o-_-o- 图1 ，1 混合型电子式电流互感器原理图 f i g 1tt h ed i a g r a mo f ah y b n de l e c 订o n i cc u 订n tt r a n s f o r m e r 作为一次电流采样传感头的元件有很多种，有传统的电磁式电流互感器、特别设计 的小信号电流互感器、电阻分流器、罗柯夫斯基( r o g o 、v s k i ) 线圈等。其中基于r d g o w s k i 线圈的e c t 是最具发展潜力的光电互感器产品，它既可以用于封闭电器g i s 、插接式组 用于激光供能肼的低功耗光电传输系统 合电器p a s s ( p 1 u ga n d s w i t c hs y s t e m ) 中的电流测量设备，又可以用作敞开式独立的 e c t 。r d g o w s k i 线圈是将导线均匀地绕在一个非磁性材料的骨架上制作而成的空心线 圈，载流导线从中心线圈穿过，当导线上有电流通过时，在线圈的两端将会产生一个感 应电动势e ，其大小为： e = 一m 巍 d t 式中m 为罗氏线圈的互感。由上式可见，通过后续电路及相关的信号处理，我们可以 获得被测电流信号。 r o g o w s k i 线圈测量电流的历史由来已久，它一直是高压实验室测量冲击大电流的 重要手段 2 0 工“。随着计算机技术的发展和普及，继电保护和测量走上微机化的道路已是 不可逆转的潮流，设备不再需要大功率驱动，这样一来，低功率输出、结构简单、线形 度良好的罗氏线圈在许多场合下可以作为传统的电磁式电流互感器的替代品，在电力系 统的应用也越来越广泛他”，l 。 混合型电子式互感器采样精确度比较高，结构更加简单，比较容易和计算机实现直 接通信。由于采用的传感器技术比较成熟、运行经验多，具有实用化优势。但是高压侧 的电源产生方法比较复杂或者成本比较高，还有待于进一步研究。 无源型电子电流互感器就是传感头部分不需要供电电源，以光学元件作为电流传感 头，多采用法拉第( f a r a d a y ) 磁光效应、磁致伸缩效应、自然旋光效应或光干涉原理来 实现电流的测量。基于磁致伸缩效应的光电电流互感器在一段时间内曾受到相当的重 视，但由于该方法受光学元件本身长期稳定性和可靠性以及外界干扰等因素制约比较严 重，发展缓慢。现今研究得最多的是基于法拉第磁光效应原理的无源型电子式电流互感 器【6 】。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 光波进行了调制。无源型光电电流互感器系统如图1 2 所示： 磁场 匕= = = = = ： 图1 2 无源型光电电流互感器原理图 f 培1 2 t h e d i 姆蛳o f 8 p 拈s i v e0 p d c a lc u r r e m 扛柚s f b r r n e r 无源型电子电流互感器的优点在于其去除了传统的电磁感应元件，无磁饱和问题， 传感头无需电源供应；但是这种互感器在技术上与光学材料的选择有密切的关系，光学 大连理工大学硕士学位论文 材料在外界环境的温度、压力等参数变化的情况下的稳定性是一个技术上难以解决的问 题。 1 4e c t 的优点 混合型电子式电流互感器，以其工作稳定的优点决定了它可能成为实用化的电流互 感器而倍受研究人员的青睐。e c t 利用光纤作为信号传递的载体。光纤是一种新型材料， 主要是用玻璃预制棒拉丝制成的纤维。它传光性能良好，频带宽，同时本身又是个敏 感元件，正是由于光纤的这些独特的性能，因此由它组成的光纤电流传感器与传统的电 磁式互感器相比具有以下优点： 1 ) 优良的电绝缘性能。在e c t 中，光纤作为连接高低电压侧之间的传输信息的介 质。由于光纤本身是一种绝缘材料，在设计中只需在光纤外面做一个外绝缘结 构，即可解决在不同气候条件下光电电流互感器的绝缘问题。 2 ) 没有充油所产生的漏油及爆炸性事故。e c t 不采用油进行绝缘，在结构上也就 避免了这类危险事故的发生。 3 ) e c t 中不舍有铁芯等磁性材料，消除了磁饱和，铁磁共振及磁滞效应等不良影 响。 4 ) 抗电磁干扰。光纤是一种电介质，所以不会受到电磁干扰的影响。 5 ) 低压测无开路电压危险。由于传统的电流互感器的原边为电流源，因此若副边 开路，会造成原边开路高电压。而e c t 的高压侧和低压侧是通过光纤连接而成 的，光纤不仅起到了信息传输作用，也使一次侧和二次侧电气上进行了隔离， 所以低压侧开路不会造成互感器原边的高压危险。 6 ) 动态测量范围大。电网正常运行时，它的额定电流并不大，但短路电流却很大。 随着容量的增加，短路故障时短路电流越来越大。电磁式电流互感器的电流测 量范围是有限的，同时大电流时也会影响它的准确度。e c t 额定电流可测到几 千安培，过电流可测到几十万安培n 对于一个宽动态范围的电流传感器既可 以作高准确度的计量也可以准确地进行继电保护。 7 ) 频率响应范围宽。光纤中光的传播频率在1 0 h 数量级，它有巨大的信号变换能 力。所以e c t 的频率响应主要取决于传感头的响应时问及信号处理电路的响应 时间。它们要大于电磁式电流互感器。 8 ) 灵敏度高。e c t 的灵敏度高，分辨率高，这是电磁式电流互感器无法比拟的。 用于激光供能e c t 的低功耗光电传输系统 9 ) 损耗小、体积小、重量轻。目前单模光纤的衰减可以小到o 0 2 d b 胁，所以， 它可以使电流的控制和监视远离测量现场，而能量的损失、信号的衰减很小。 另外，由于光纤及光学器件的存在，使传感器的体积和重量都比电磁式小。 1 0 ) 可以和计算机连接，实现多功能，智能化的要求，对电力系统自动化产生了巨 大的影响。它简化了电力系统继电保护设备，提高了微机保护精度及可靠性， 并加快了电力系统对故障的响应速度。 当然目前电子式电流互感器也存在加工要求高、混合型e c t 电源供能不便解决等 问题。但是电子式电流互感器有着传统电磁式电流互感器无法比拟的优点，它结构简单， 灵敏度高，是一种传统电磁式电流互感器的理想替代产品，必将在将来的工业生产中得 以广泛的应用【5 】。 1 5 论文的主要工作及章节安排 混合型电子式电流互感器中，高压侧信号采集系统的电子线路需要另行提供稳定的 电源，才可以保证系统稳定可靠的运行。现在国内各研究所及高校正不断研究改进的供 自方式有母线自具式供能、蓄电池供能、低压侧激光供能、超声波供能等。高压侧的供 能方式具有电源与信号采集系统同在高压侧，绝缘问题小、提供能量多的优点，但是容 易在线路故障时出现供能不稳定的问题；而低压侧供能虽然可以提供稳定的电能，但以 现在的技术却无法像母线供能那样，提供大量的能量以保证供能的可靠性。本文将在接 下来的章节中，对几种供能方式进行讨论，并详细介绍本课题组参与设计的低压侧激光 供能方式。 论文各章节的具体安排： 第一章综述了国内外光学电子式电流互感器的发展及对电子式电流互感器的研究 现状，通过对它们的分析，了解其存在的难点和问题，明确本文的研究方向。 第二章介绍各种混合型电子式电流互感器的供能方式。 第三章将详细介绍低压侧激光供能方式，包括激光器的驱动电路、各种保护电路、 自动恒温控制电路，描述了供能电路实现载波通信的功能；并对高压侧光电池输出电路 进行了设计，给出了高效率低功耗d c d c 变换电路，及用于载波通信的信号解码电路 的设计。章末给出了部分实验数据，及对应的结果分析。 作为光电传输系统，光有上行的能量传输系统是不够的，第四章介绍了用于下行数 据通信的信号传输系统，将对其系统结构、信号传输的原理及为降低功耗而改进其光发 射端子的驱动电路进行相关的描述。 最后对全文的工作进行了总结。 大连理工大学硕士学位论文 2 混合型e c t 的供能方式 对于混合型电子式电流互感器电子线路来说，高压侧采样电路供能电源的稳定性是 关系到整个系统工作稳定性的关键因素，也是各种混合型e c t 器都普遍存在的技术难 题，这也限制了混合型e c t 的应用。因此，选择合适的供能方式是关系到整个电子式 电流互感器系统的重要问题。 混合型电子式电流互感器分为高、低电压侧和光纤传输部分3 个模块( 如图1 1 ) 。 高压侧采用精密铁心线圈或者罗柯夫斯基线圈采样，经过一系列信号处理( 模，数转换或 者压频变换) 转换成数字信号，再通过光发射模块转换成光信号，经由光纤传送到与低 压侧相连的微机进行数据处理。因高、低电压侧之间采用光纤连接，无任何电磁联系， 向高压侧的电子器件供电成为e c t 测量系统的一项关键技术【2 2 1 。目前，国内外很多部 门对混合型e c t 高压侧供能问题进行研究，其主要的供能方式有以下几种【5 】= 2 1 母线自具式供能 该供电方式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 电能，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电路供电。该线圈处在高压端，绝缘要求 低，能大大简化其结构【6 】。 电力系统负荷在不同的季节、不同的时间变化很大，引起母线电流随之变化也很大， 从几a 几千a ，甚至母线短路瞬时电流可超过数十倍额定电流。如此大的电流变化范 围为电源c t 和稳压电路的工作带来严重困难。因此，设计电源时一是要尽量降低死区 电流，保证在母线电流较小时也能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。 图2 1 为文献 4 】中给出的一种自具式供能电路图。该电源基本原理就是基于互感器 的一次、二次侧的磁势平衡： 钒2 纯2 仍 ( z 1 ) 即磁路的安培环路定律：沿着磁场中任意一个闭合回路，其中磁压等于总磁势。 忽略漏磁及铁损和铜损，磁势平衡方程如下式： 厶i = m 一( 厶2 + ，3 m + ) ( 2 2 ) 其中：铴为合成磁通：仍为一次电流产生的磁通：仍为二次电流产生的磁通；，0 为激磁 电流：，i 为一次侧母线电流；，2 为二次侧电源线圈电流：6 为二次侧控制线圈电流；，。为 用于激光供能e c t 的低功耗光电传输系统 二次侧补偿线圈电流；l 为一次侧母线匝数； ，2 为二次侧电源线圈匝数 i ，3 为二次侧 控制线圈匝数；敞为二次侧补偿线圈匝数。 图2 1 一种自具式供电方式 f i g 2 1af o m o f t h es e l f - p r o ，i d i n gp o w ”s u p p l y 负t 从原理上分析，只要补偿线圈中电流厶能随着母线电流 线性变化就能使电源输入 电压基本保持不变，因而有稳定输出，并且对传感头波形影响不大。关键就是解决如何 使 与厶能基本保持线性变化。 在该设计方案中，利用三极管在c ，e 间阻抗随集电极电流变化曲线来拟合可变阻 抗，使补偿电流厶按线性增加，从而达到线性补偿。 电路图中就是通过分压器r l 和r 2 从控制电路提取控制信号，经t l ，t 2 两级放大得到 补偿电流矗。因为流过t 2 的电流在母线电流增大时不断增大，其功耗也比较大，必须选 用线性范围宽的大功率三极管。通过调节电位器r 1 可以控制补偿电流的启动时刻，使补 偿电流在各路电源电压满足要求后补偿也是通过调节r 。和选择合适的t l ，t 2 达到补偿 的线性效果。 - j 晖 大连理工大学硕士学位论文 2 2 激光供能方式 如图2 2 所示，这种方式采用激光或其它光源从地面低电位侧通过光纤将光能传递 到高电位侧，再由光电转换器件( 光电池) 将光能转换成电能，再由d c d c 变换后， 提供稳定的电压输出。随着电子器件尤其是g a a s 光电池、大功率半导体激光二极管和 高效率单片集成d c d c 变换器的广泛应用，这种供电方式在实际使用中越来越可靠。 以现在的工艺技术，光电池的输出效率可达到4 0 ，并且在输入功率恒定的情况下，光 电池的输出电压随外界温度的变化并不大，大约l o 左右田】，在采用高效宽输入电压范 围的d c 变换芯片的前提下，可以保证输出电压的稳定性。 图2 2 激光供能简图 f i g 2 2t h es i m p l ed i a g r 眦o f o p i i c 8 lp o w e rs u p p l y 作为混合型e c t 的供能方式来说，激光供能的优点是电源能量供给稳定，摆脱了 高压母线电流大小和电压高低的影响，由该方案供能的混合型e c t 可以对母线进行故 障检测口2 。 其缺点主要是目前国内光电技术还不是十分成熟，国外购买光电器件的造价又比较 高，而造价低一些的光电器件其能够提供的功率又有限。另外，特别是对于大功率激光 发生器来说，其激光二极管的工作寿命有限，如果长时间工作在的驱动电流比较大的状 态，激光二极管容易发生退化现象等导致工作寿命迅速降低瞰5 1 。 2 3 其它供能方式 2 3 1 蔷电池供能方式 这种供能方式是采用蓄电池对高电位侧的电子线路进行供电，电池的能量来自于母 线电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器和分压器构成电池的交流充电电源， 经过稳压和整流盾对电池进行充电。这种方式的突出优点是结构简单，不需要设计特殊 用于激光供能e c t 的低功耗光电传输系统 的电子线路，因此，实现起来比较容易，但是蓄电池的寿命比较短，比较容易损坏，而 在高电位侧的电池更新起来比较困难，不能满足一般工业运行的条件。 2 3 2 超声电源供能方式 这种方式采用地面上的超声振荡器驱动一个与纤维玻璃棒相连的石英传感器，传感 器的另一端延伸到高电位端，其顶端有一个相同的传感器，将超声波转换成为电能提供 给后级电子电路。由于目前超声波设备的造价相对比较昂贵，而且将超声波能量转换成 为电能量的转换器的转换效率较低，它还没有达到真正实用的程度，所以采用这种供电 方式的设备比较少【5 j 。 2 4 采用激光供能 现在所采用的混合型e c t 供能方式多为母线自具式供能和激光供能，而随着当前 大功率激光器制作工艺的不断发展，及工作的稳定性，激光供能方案倍受膏睐。以下为 近年来国内外对e c t 激光供能的研究状况【s ，2 6 川： 从1 9 9 2 年到1 9 9 7 年，a b b 公司研制的激光供能的电子式电流互感器从3 5 0 k v 到 5 0 0 k v 乃至直流都已经在现场运行，激光管输出功率1 5 w ，寿命1 0 万小时。整套系统 测量准确度为0 2 ，保护通道准确度为1 。 1 9 9 3 年美国的b a r l w e nt c 和e s t e sr c 提出了三种激光供能的结构：1 ) 采用波分复 用技术( w d m ) 在一根小芯径光纤上同时传输能量和数据。2 ) 采用一条单模通信光纤传输 数据，同时使用另外一条大芯径光纤传输能量。3 ) 采用一条单模通信光纤传输数据，同 时使用多根大芯径光纤传输更多的能量。 1 9 9 6 年美国p h o t o n 主c p o w e r s y s t e m s 公司的w e 咄e nj g 和a n d e r s o n a g 研制了一套 激光供能的电子式电流传感器。激光管输出功率为2 5 0 m w ，光电池光电转换效率高于 4 0 。丸，d 采样率为1 0 0 k h z 时，整个传感头消耗功率为2 5 嫩w 。 2 0 0 0 年意大利的s v e h oc 和o t t o b o n ir 使用的激光管输出功率为5 w ，光电转换装 置为光生伏打电池板( p v p ) ，p v p 输出电压为3 3 v 对输出电流有5 0 r n a 。整套系统5 k h z 的动态范围内有o 5 的准确度。 国内各高校及研究所也做了相应的工作，其中包括清华大学、华中科技大学、武汉 大学、燕山大学等，取得了不错的成果。为保证供能的稳定性，现在已有的运行样机多 采用激光器的反馈控制，即在高压侧光电池的输出端向低压侧接反馈光纤回路，将其输 出功率反馈回低压侧，以调节激光器的输出功率，使光电池的输出功率恒定，提供稳定 的电压。这样一来就多了一根反馈光纤，一方面e c t 系统变得复杂，另一方面也使得 本来就少的上行激光能量，部分要用来驱动反馈的光发射器，使能量供应变得紧张。 大连理工大学硕士学位论文 本论文采用美国b a n w e l lt c 和e s t c sr c 提出的波分复用供能结构，通过一根光纤 传输能量和控制信号，配合高压侧低功耗采样系统及信号解码电路，减少了反馈光纤和 上行的控制信号传输光纤，由此简化系统结构，降低激光器输出功率，延长其使用寿命。 2 5 本章小结 本章中给出了可用于混合型e c t 供能的几种方案，分析了各种方案的特点，同时 提出本文所采用的激光供能方案的基本结构。 用于激光供能e c 丁的低功耗光电传输系统 3 激光供能电源的设计 3 1 激光供能的低功耗混合型e c t 系统结构 系统的结构框图如图3 1 所示。系统包括激光供能部分和检测信号传输部分。供能 系统在完成向包含传感器及关联电路的一次转换器供能的同时，还可以传输控制信号。 在不影响光供能稳定性的情况下，数据通信完成在短暂的光供能中断中，此时高压侧通 过储能元件维持供能，不影响供能的连续。在一次转换器中，控制信号通过在能量变换 电路中增加一个信号解码电路提取出来。改进的一次转换器光发射驱动电路只需要消耗 几毫瓦的平均功率就可以稳定地工作一次转换器总的功耗可控制在4 0 m w 以内，大大 降低了对激光供能系统的功率要求。 图3 ，l 混合型e c t 系统结构图 f i 9 3 1t h es t r u a 沁他o f t h eh y b “de c ts y s t e m 供能系统由低压侧和高压侧两部分组成：低压侧为激光光源，包括激光器及其驱动、 保护和自动恒温控制电路。激光器的驱动电路可以恒流或载波两种形式驱动，实现光能 和信号的分时传输；保护电路包括激光器的过流和温度越限保护。高压侧的光电池将光 能转换为电能，经过d c d c 变换后提供满足e c t 一次转换器和信号解调电路所需的电 压输出【3 。，3 1 1 ；对一次转换器的控制信号通过解码电路转换成所需的数字电平，实现信号 大连理工大学硕士学位论文 传输。由于高压侧的数据采集系统采用低功耗设计，d c d c 输出3 v 单电源即可满足高 压侧的供能要求。 该电源的特点是结构简单，工作可靠性高，电源不受电网电流大小的影响，而且不 存在死区，并且由于采用光纤隔离低压侧与高压侧，因此能够很好的起到高电压绝缘的 作用。 3 2 激光供能电路设计应注意的问题。”。”1 激光供能系统设计上的主要考虑因素是光电池。光电池是能够将输入的光能转换为 电能输出的光电转换器件，本方案中所采用的是p p c 6 e 型光电池，它输出电压根据光 能输入以及光电池负载的情况而定，大致在6 4 v 之间变化。本电源系统所要达到的 效果即是将光电池的输出电能通过d c d c 变换，产生满足e c t 一次转换器及信号解调 电路所需电压，并且为了简化b c t 的结构及降低不必要的功耗，可以通过本电源系统 进行数据传输，即将低压侧的控制信号传递给高压侧的一次转换器。 该方案主要的技术难点及解决办法： ( i ) 大功率激光光源所能提供的能量限制 目前国内的大功率半导体激光器的技术水平有限，容易发生激光器退化导致发射功 率下降。如果购买更大功率的激光光源，价格的增加也将直线上升，造成成本的增加。 本设计中所采用的是加拿大i t e c h 公司生产的s p l 2 f 8 1 - 2 s 型激光器。它最大输出可达 2 w ，根据高压侧电路的设计要求，只令激光器工作在4 0 的最大输出功率下，即可保 证高压侧系统的正常工作。而且激光器可以工作在恒流和载波两种驱动方式下，满足设 计要求。 ( 2 ) 光电池的光电转换效率问题 目前国内外的光电池技术发展比较迅速，用于产品级的光电池的光电转换效率从以 前的l o 2 0 提升到3 0 4 0 左右。但大功率的光电池的光电转换效率仍然偏 低，即使采用大功率的激光器，理论上可以提高输出功率，但是由于光电池的转换效率 低，使得大部分的能量消耗在光电转换上，以热的形式散失，使得光电池的温度拜高， 降低工作的稳定性，又提出了光电池散热的难题。本设计中所选用的p p c 6 e 型光电池 工作在大功率光电转换时效率可达4 0 。因此在激光光源驱动电流约为1 7 a ，即光 电池接收光能约为o 9 w 时，能为后端所有负载提供的最大电能约为3 5 0 m w ，满足高 压侧的供能要求，并使激光器工作在小功率输出下，可以延长其使用寿命：而且工作在 小功率状态小，热损耗小，可通过加一个大功率的散熟片为光电池散热。 ( 3 ) d c - d c 转换电路的各个器件的自身消耗 用于激光供能e c r 的低功耗光电传输系统 根据以往e c t 采集系统的电压要求，需要将光电池的输出变为多路电压输出。为 了得到比较稳定的输出，需要多组相应的d c d c 器件，这些转换器件造成了大量的电 能损耗。为了降低系统及d c d c 器件上的损耗，高压侧采用低功耗设计方案，使得3 v 单电源供电即可满足要求，这样选择一个高效的d c d c 转换就可以满足要求，有效地 降低了整个系统所需的能量。 ( 4 ) l d 驱动电路的频率限制 以往的实用化l d 驱动电路的工作频率较低，不能满足快速控制的要求。经过对以 往驱动电路的改进，所采用的驱动电路的频率可以达到2 0 0 硒乜以上，满足e c t 的通信 需要。 3 3 激光光源部分 激光光源主要由半导体激光二极管( l d ) 、驱动l d 工作的电源电路以及相应的保 护电路组成。半导体激光二极管光源是e c t 系统能量来源，e c t 系统所有的数字器件 和模拟有源器件就是依靠一只大功率激光器提供的光能转换得到的电能供电。 3 3 1 激光器工作原理“ 激光二极管又称注入型半导体激光器，用符号l d 表示，其核心部分为p n 结。激 光二极管在p 区和n 区之间形成的过渡区称为有源区或活性区。两个端面为解理面，与 结面垂直。有源区长度一般为几百微米。当注入的非平衡载流子在有源区发生辐射复合， 注入载流子密度达到光增益条件时，在有源区产生受激发射。当增益等于光波在有源区 运行时总的损耗时，就获得产生激射的阚值电流密度厶， 1 厶= 8 万“2 。础z ( 丁) 兄2 叩。+ 哳+ 瓦而两】 ( 3 1 ) 其中为有源区宽度，玎为晶体中产生自发发射光子的量子效率，a 庀为吸收损耗系数， 蛳为衍射损耗系数，矗，岛分别为两个端面上的反射光强度，z ( 乃为光场限制因子。 从该闻值电流密度表达式可以得到随温度上升阚值电流密度将增大。其阈值电流与 温度的关系可表示为 厶( r ) ：山e x p ( 要) 0 ( 3 2 ) 山是一个常数，对于不同的激光器，具有不同的值。是表示阈值电流对温度敏感 程度的特征温度。乃值低就表示温度对闽值电流的影响大。在室温下连续波工作时，激 光二极管发射的最大功率受热耗散过程的限制：工作过程中，要求越来越高的电流来抵 大连理工大学硕士学位论文 消内部温升的影响，而注入电流增高又进一步提高了器件的温度，因此，一般都是将激 光二极管管芯焊在散热的底座上，使用时又将管子装在散热器上。以减小管芯的温升。 从结构上可以把激光二极管分为同质结和异质结两大类。所谓同质结，指的是同种 晶体材料，因掺杂不同而形成的p _ n 结，最先实现激射的就是这种结构。同质结l d 的 两端面为解理面，构成e _ p 腔。当注入电流密度达到或超过阚值电流，从解理面端有激 光输出。而所谓异质结，就是在带隙宽度不同的两种材料间形成的结。如果在两层宽带 隙材料层间夹一层窄带隙材料，则称为双异质结构。由于双异质结构对注入载流子形成 了良好的约束作用以及对光模场的有效约束作用，所以阈值电流密度仅为同质结的 l 1 0 1 5 ，实现了室温下的连续运转。 作为工业上使用的激光二极管都具有内建的某种结构，使注入载流子约束在结平面 内的一条形区域中，有如下几个目的： 1 ) 与大面积激光二极管相比，这种结构能在低得多的阈值电流下就可以连续工作： 2 ) 能实现侧向的基模工作状态，只有侧向基模工作的激光二极管才能与单模光纤 实现高效率耦合： 3 ) 因发热区集中在注入条区，热很容易向四周传导而易于耗散，因而管芯温度低。 从而增长了器件的寿命。 3 3 2 激光器驱动电路 首先驱动电路满足驱动激光器工作的最基本要求，即恒流驱动。另外，为了简化e c t 的结构及降低功耗，所设计的驱动电路可以进行载波驱动，即激光器的驱动信号并入采 集系统的控制信号，激光器通过脉冲电流驱动，同时将控制信号以光脉冲的形式传递到 高压侧，然后通过信号解调实现对采集系统中徽处理器的控制。这就要求激光器驱动电 路要可以承载一定频率的脉冲驱动信号，而以往的驱动电路大部分只能用于恒流驱动， 不能满足信号传递的脉冲驱动要求。本文通过对以往电路的改进，设计了如图3 2 的载 波驱动电路。该电路以大功率s 管为核心元件，o p l 、o p 2 构成前向控制电路，采样 电阻r ，和0 p 3 放大电路构成反馈电路p 2 删。 系统中采用的是加拿大i t e c h 公司的s p l 2 f 8 1 2 s 型激光器，这一型号的激光器可 以