基于光纤电流传感器的大电流检测系统的研究.doc

本文由TXrenwk贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 产品与技术 PRODUCT & TECHNOLOGY 供配用电 电气测量 基于光纤电流传感器的大电流 检测系统的研究 文 衢州职业技术学院信息与电力工程系卢艳黄云龙赵建伟 文 浙江英策电力设计股份有限公司郑仕林 在高压大电流测量应用中， 全光纤电流互感器既能够有效克服磁电式电流互感 器的磁饱和效应， 又能克服镜式结构中块状材料的缺陷， 凸显全光纤传感系统的特 点，必将成为光学电流互感器技术的新宠。 输电线路是电力系统的重要组成部分，其准确 性关系到电网的稳定运行。随着电网运行等级的提 高，对输电线路的各项参数测量变得尤为重要，其 中输电线路的传输电流大小是关注的重点，因为传 统的基于电磁原理的电流互感器已经不能满足实际 测量的需要。因此，针对输电线路传输电流，提出 一种基于电流热效应和光纤荧光测量技术的测量系 统，实现对 以上的大电流的在线测量 和分析。 转换，因此，对电流的测量转换为对热或者温度的 测量。 采取荧光光纤测温法测量敏感电阻表面温度， 其传感部分是附着在敏感电阻表面的荧光物质和传 送光纤。 低压侧主要完成对光纤传送来的荧光信号的处 理工作。以微处理器为核心，对荧光余辉信号进行 放大，然后用 对放大后的荧光余辉曲线进行采 样，测量荧光余辉寿命从而测得敏感电阻的温度， 进而得到被测电流信息。 高压大电流测量系统的结构及功能 系统整体原理框图如图 所示，光纤电流互感 器检测系统按电压等级分为两个部分，高压侧和低 压侧。 高压侧主要通过罗氏线圈在高压侧完成电流取 样，实现将电力线路上的一次大电流转换为二次小 电流。二次电流流经敏感电阻，完成电流到热量的 高压大电流测量系统硬件的设计 系统的整体工作思路是以电流热效应为基础， 整个电流的检测过程可以概况为 被测电流变化热 ： 量变化温度变化荧光衰减时间变化光纤信息传 输光电转换信号处理。 这种测量方法的优点是通 过光纤将被测电流大小的信息传输下来， 达到了隔离 高电压的目的。系统工作主线框图如图 所示。 电热 器件 小电流 信息 温度 信息 光纤 传输 温度 测量 电力线 高压侧 大电流采集装置 电热转换单元 大电流 信息 电流传 感器 图测量系统工作流程主线 光纤 低压侧 光电转换单元 微处理器进行电流测量 图 系统整体方案框图 罗氏线圈的设计 利用罗氏线圈测量时，将线圈围绕在载有被测 电流的导体上，线圈两端连接上采样电阻就可以测 量变化的电流。 在进行尺寸设计时，为方便测量仪器的安装和 电气时代? 年第 期 供配用电 产品与技术 PRODUCT & TECHNOLOGY 调试，应使电流互感器在重量和体积上尽量轻小， 并且减小绕组的自感和互感，从而相应地使二次时 间常数也减小，提高测量装置的响应速度。经过测 试和仿真，采用的罗氏线圈的尺寸如表 所示。 表 罗氏线圈设计参数 项目 骨架外径 骨架内径 骨架高度 线圈匝数 匝 铜线外径 参数值 换和信号放大电路传输到 机上，对采集到的数 据进行分析就可以间接得到被测的温度，进而对 被测电流进行测量。 具体的方法是将激励光照射到薄膜器件的荧光 材料上，然后再把荧光材料受激发所发出的荧光传 回光电转换环节进行信号处理，如图 所示。 罗氏线圈 涂有荧光材料 的薄膜电阻 根据有关计算公式，计算结果如表 所示。 表 罗氏线圈计算参数 项目 绕组互感 绕组自感 绕组自重 绕组电阻 二次电流灵敏度（） 参数值 激励光和荧光 的混合光 激励光 信号处 理单元 分光镜 光电转 换部分 图 低压荧光激励方案示意图 利用单片机程序编写一段激励光发生信号程 序，使其所发出的脉冲形式的高低电平来激发激励 光源发光。激励光经过光纤传递到高压端，对涂在 薄膜电阻上的荧光材料进行激发，使其发出荧光， 并利用同一条光纤将荧光传回信号处理单元。 试验中发现在光纤传回的荧光信号中搀杂着 被反射回来的激励光，这是不需要的。因此，需要 在光纤的末端加入分光镜，把不需要的反射回来 的激励光滤除掉，这样就保留了单一的荧光信号， 然后再经过后续的信号处理单元就能得到被测的 电流信息。 激励光源的驱动电路 ）激励光源。 激励光源的选择取决于荧光材料 的吸收光谱，即如果选定了某种荧光材料作为传感 器，则其激励光源的发射光谱要和荧光材料的吸收 光谱吻合，荧光材料才能受激发而发光。通常作为 荧光温度传感器的激励光源有半导体光源和氮灯。 鉴于目前试验条件和以上介绍，系统中激励源选用 紫外发光二极管（） ，其光谱主峰在 处，半峰宽为 。 ）驱动电路。为了产生周期的荧光余辉信号， 需要对激励光源施加一个方波周期信号。且对该方 波周期信号的要求是希望其下降沿尽量陡，以减小 对荧光余辉信号的影响。因此选择使用精密 模拟开关 来驱动激励光源。 由 构成的驱动电路如图 所示。 荧光余辉信号的放大电路 荧光余辉信号经过光纤传导，最后由光电接收 由以上计算结果可知，由于此罗氏线圈的负载 是紫外发光管，所能承受的导通电流为 左右， 根据罗氏线圈的二次电流灵敏度可知，当被测一次 电流达到 时，其互感出的电流为 ，基 本满足试验测量范围的需要。 荧光材料的选择 在以往的研究中，荧光光纤传感器多用来实 现对温度的测量。而系统的测量对象为电流， 这就 要求光纤电流检测系统有较快的响应速度和较高 的灵敏度。因此，在传感器制作的源头要选取短余 辉的荧光材料。另外，在荧光光纤传感器的制作 中，粉状的荧光材料较晶状的荧光材料更便于探 头的制作。 因此，本系统中选取的荧光材料是红粉，其余 辉寿命为 ，温度响应范围为室温。 低压荧光激励方案的设计 系统采用罗氏线圈作为电流互感器把高压侧 的大电流转化为采样电流，采样电流通过电流 温度转化单元，并利用薄膜电阻作为电流温度 转化器件，通过测量薄膜电阻的温升间接达到测 量电流的目的。而对温度的测量是通过荧光光纤 测量温度的方法来完成的。荧光材料受激励光的 激发产生荧光，当激励脉冲消失时，荧光材料由于 自身的特点会产生余辉衰减现象，余辉衰减时间 是环境温度的函数，把余辉衰减信号经过光电转 年第 期?电气时代 产品与技术 PRODUCT & TECHNOLOGY 供配用电 液 晶 显 示 （从机） （主机） （主机） 薄膜电阻 温度测量 图 由 构成的 驱动电路 环境 温度测量 管将光信号转换成弱电流信号。光信号的强度直接 影响弱电流信号的强度。而荧光余辉信号的强度与 探头前端敏感材料和激励光强度有关。本课题中使 用的荧光材料是红粉，激励光照射到红粉后所产生 的荧光余辉信号的峰值强度约为 。放大电路 部分解决的是将弱电流信号放大为的电压 信号以满足 采样需求。 系统选用宽带运算放大器 ，设计出余辉 弱信号放大电路，如图 所示。 显示 单元 单片机数据 处理系统 自耦变压器 图 总线连接图 实验结果 光纤电流互感器检测系统的各个部分调试通过 后，应对整机进行电流与荧光寿命的标定。标定的 过程的原理框图如图 所示。 罗氏线圈 热光转换单元 光纤 信号 放大 图 系统标定试验框图 图 荧光余辉信号放大电路 图中， 通过使用前端的两个变压器来模拟电力 线路中的一次大电流，将绕制的罗氏线圈进电流采 样。由于试验条件所限，本次试验中标定最大电流 。自耦变压器接市电 。由于自耦变压器 无法提供大电流， 因此在自耦变压器输出端接一个降 压变压器，该变压器的二次侧输出可以允许通过很 大的电流。变压器二次侧输出的大电流流经罗氏线 圈， 作为罗氏线圈的一次电流。 调节自耦变压器可以 改变罗氏线圈的一次电流的大小。 限于试验条件， 标 定的电流范围为 。试验数据如表 所示。 表 电流测量结果 标准值 测量值 单片机系统的设计 系统中荧光余辉信号周期为毫秒级（本系统为 ）。在实际电路中，取余辉信号的中间段进行 连续的快速数据采集，采样间隔约为 ，采样 点数为 点。 在主机和从机单片机系统的设计中，考虑多机 通信的兼容性， 的采样率和分辨率等因素，主机 和从机均选用美国 公司的 单片机。 基于 总线的多机通信 在对敏感电阻表面的温度进行测量的同时，还 要对其周围环境温度进行测量以便补偿环境温度带 来的误差。因此，需要测量两路温