光电式电压互感器的设计与实现

第 3 7卷第 4 1 0期 2 0 0 0年 第 2期 仪表 2 p Vo 1 3 7 41 0 F e 2 0 0 O 光电式电压互感器的设计与实现 槛 龙占超 武汉华中理工大学 武汉4 3 0 0 7 4 摘要 光电式电压互感器是一种用于电力测量系统的新型传感器 本文简要介绍 了用这种互 感器测量直流电压的原理 分析 了系统组成的各个部分 并讨论 了影响光 电式互感器实用化的 一 些 问 关键词 中图分 f r 信 号 处 理 交 流 调 制 电 压 频 率 变 换 温 度 壶 缸 f 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 1 3 9 0 2 0 0 0 0 0 1 7 0 4 州础 Hu a n g Ya m o j u n Y a n G u o p p i n g L o n g Z h a 砒 n c h 试 ao 舡一一 l H u a z h o n g U n i v e r S i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a c t O p t i c a l p o t e n t i al t r a n s f o r me r i s a l l e W k i n d o f s e l i s o r u s e d i n e l e c t r i c p o w e r me a s u r e me n t s y s t e m T h i s p a p e r a n 山s e s 胡 t h e t h e o r y o f m e a s u r i n g D C v o l t a g e a n d i n t red e c e s c o mp o n e n t s o f the s y s t e m A l s o d i s c u s s e s s 0 m e q u e s t i o n s a ffe c t i n g t h e a p p l i c a t i o n o f o p t i c al t a o s f o r me r Ke y w o r d s o p ti c al p o t e n t i al t r a n s f o r m e r O P T s i g n a l p r o c e s s A C m o d u l a t i o n V F c o n v e rSi o n t e mp e r a t u r e 0 引言 光电式互感器是光电技术在电力系统 中的新应 用 它可以精确测量直流或交流电力系统的电压 电 流等物理量 用这种互感器组成的测量 仪表综合了光信号的抗 干扰能力强 电 信号的易处理 等特点 从 而具有精度 高 智能化等传统的电磁式互感器所无 法比拟的优点 其应用前景十分乐观 其中 是常数 与光纤传感器传感头的晶体材料 结构有关 因此对电压 V的测量可以转化为对相位 差角 的测量 其测量原理图如图 l 所示 信 号接收部分 直流 电压的测量在冶炼和直 流电 图 l 测量原理囤 力系统是十分必要的 用光电式电压互感器河量直 光源发出的光 在外加电压作用下 分解为 流电压这一课题 正是基于此而提出的 本文详细 两束光 只和 只 其光强由马吕斯定理可知 介绍了O F T的系统组成 并就 O P T O C T实用化过 1 2 1 t s i n 2 49 2 程中的某些问题进行了讨论 e l 2 1 s i n 2 f 3 1 测量原理 由 1 2 3 式可以看出 当O FT 外加电压 时 某些物质具有光 电效应 在外加电场 的作用 产生了一个与 V成正 比的相位差角 中 同时 又 F 对透过它的光发生磁光效应 即其双折射快慢 影响出射光 只 的光强 由于 比较小 故 轴之间的相位差角 与外加电压 V之间呈现线性 s i n 2 2 中 结合公式 1 2 3 可得测量电压的 正 比关系 如 1 式 最终表达式 4 K V 一 1 7 维普资讯 总第 3 7卷第 4 1 0期 2 0 0 0年 第 2崩 电测与仪表 El e e t fic Me u r e me n l s I 删n 圳j o n V0 l 3 7 N o A1 0 F e b 2 0 0 0 2 K 去 瓣P P I 4 式 4 1 表明 只需测出光纤互感器输出的两束光 P 的强度或相对强度 通过定标求得比例系数 就 可以得到被测电压的大小 2 系统组成 从图 i 的测量原理可以看出 整个测量系统是 由三 部分组成 光发射部分 光纤传感部分 信号接 收部分 模拟信号处理和数据采集 系统工作时 光 源发出的光经光纤传到互感器 光纤互感器在外加 直流电压 实际为外加直流电压所激励的磁场 的作 用下 发生坡克尔效应 使 出射的两束光产生相位差 角 此相位差角正比于外加直流电压 同时此相位差 角又影响出射光 只 的光强 通过对出射光 光强的测量 根据 4 式可以计算出外加电压 的 值 2 1 光发射 电路 光发射电路在测量 中的作用是提供合适光载 波 由于光电探测的信号一般比较弱 如果系统采用 直流光信号做载波 则难以克服失调和温度漂移的 影响 基于此 本测量系统采用交流调制的方式 即 通过光发射电路把正弦变化的电流信号转换为光信 号 电路如图 2所示 正弦 激 励轱人 1 0 图 2 光发射 电路 光发射电路的关键器件是 电光转换管 L E D 或 用 L C D 如图 2中 D 其特点是光强与激励电流成 正比 本涣 4 量系统 中 D o 是波长为 8 4 0 ri m的 L E D光 电二极管 R 是 L E D的串联保护电阻 恒流源的电 流为 1 0 0 m A 激励信号是由 C振荡器产生的正弦 渡 调节激励信号的太小和差分电路使三极管集电 极的电流幅度为 1 0 0 r a A 此电流通过 L E D激发出 正弦变化的光信号 经测光功率为 3 O w 频率为 1 0 k Hz 2 2 光纤传感部分 光纤传感是光电式直流电压互感器中很关键 的一部分 其结构如图 3所示 匝圈 亟 习 叫 盍 匝 匠 图3 光纤传廖部分 当系统工作时 八射光首先通过起偏器变成一 束线性偏振光 在 l 4波片的作用下 变成圆偏振光 入射到波克晶体上 当外加电压加到电极上后 由于 电场的作用使透过渡克晶体的光产生双折射 形成 椭圆偏振光 再经检偏器输出具有一定相位羞的两 束光 进八后面的信号处理单元 在光纤传感部分 中 采用的传感晶体是波克晶体 B i 4 G e 3 0 2 这种 晶体具有 良好的双折射性和旋光特性 而且介 电率 低 横段面可以调整 检偏器是Wa l l a s t o n 棱镜 通过 检偏器输 出两束光 经下行光纤进入接收部分 2 3 模拟信 号处理 由 4 式可 以看 出 对 的测量实际是通过相 角 转化为对光强 的 煲 j 量 因此本部分主要 完成电光转换并对信号进行处理 其部分电路图如 图 4所示 其中只画出了一路 另一路完全相同 在模拟信号处理部分 首先进行光电转换 其关 键器件是光电转换管 其特点是可视为恒流糠 且电 流大小与光强成正比 本系统采用 P I N管 其转换 系数为0 7 A W 由于下行的光信号比较弱 经光电 转换后的电流只有几百纳安 因此前级放大器 I c 图 4 模拟信号处理示意图 一 1 8 一 襞 一 蹴 维普资讯 总第 3 7卷第 4 1 0 期 2 0 0 0年 第 2期 电测与仪表 El e a t r l e a M n l tmt r u t s t l o n V 3 7 No41 0 F e b 2 0 0 0 应选用输入阻抗高 噪声系数小的运放 本系统选用 C A3 1 4 0 其输入阻抗为 1 5 输入失调电流为 1 0 p A 并且还用稳压电路对前级单独供电 防止后 级较强的信号通过电源干扰前级 光电转换是信号 处理的一个关键 详细分析见参考文献 由于系统采用交流调制 因此在前级放大器之 后用带通滤波器滤出有用信号 抑制噪声 带通滤波 器由I c 完成 见上图 2 I C 及其外围元件组成二 阶有源滤波器 其中心频率为 1 0 k H z p值为 1 O 滤 波之后信号进行峰值检波 普通的峰值检波电路 由 于电容充放电的原因 导致输出的峰值信号为锯齿 渡 其幅度在几毫伏到几十毫伏之间起落 这对测量 精度有较大的影响 由于本光电传感器是用于直流 电的测量 其输出信号的幅度比较稳定 故本系统采 用整流和滤波相结合来获得信号的峰值 其原理如 下 带通滤波器输出的全波交流信号 首先经过由 l c 组成的半波整流电路进行整流 输出半波信号 半渡整流电路由运算放大器 二极管等元件组 成 并且二极管工作在运放的负反馈支路上 可大大 减小二极管死 区电压的影响 半波信号 与输人信 号 的关 系如下 V 一 R 2 R V f V l 0 5 0 V 0 设 s i n o t 其中 A 为被测的信号幅值 由于系统为直流测量 A 保持恒定 对半波信号 进行傅立叶变换可得 A A s in 一 6 由表达式 6 可以看出 V 中含有直流分量 其大小与 A 成正 比 因此用滤波器滤出此直流分 量 并且调整其幅度 就可以获得信号的峰值大小 如图4中 I C 及其外 围元件组成直流滤波器 滤出 中的直流分量 为减小电压失调和漂移的影响 本系统中 I c 选用斩波式运放 F 7 6 5 0 其失调电压 仅几个微伏 输出的有用信号 为 1 5 V左右 进入 后面的数据采集部分 2 4 数据采集 模拟信号处理部分把两路光信号 和 只变换 为电压信号 V 和 通过A D转换把模拟信号变换 为数字信号 在单片机 内进行数字信号处理 并计算 出外加电压值 在本系统实验的初期 曾采用模数转 一 l9 换器 A D 5 7 4和一片多路开关对 和 进行采样 但发现结果与标称值有一些偏差 主要原因是用单 片 A D转换器对两路信号的采样不是同时进行的 从而带来测量误差 本系统采用了电压频率变换器 V F C 3 2做模数 转换 这种器件的特点是输出脉冲的频率与输入电 压成正 比 电压频率变换器与单片机的常用接法是 把输出脉冲接至单片机的一个定时 计数端 并使其 工作在计数方式下 把另一个定时 计数器设置为定 时方式 通过对脉冲计数求出频率 进而得到外加电 压值 本系统为了克服单片 A D器件对两路信号测 量不同时所带来的测量误差 采用两片 V F C 3 2同时 对 和 进行转换 接口电路见图 5 图 5 V F变换与单片机的接口电路 图 单 片机的 r m T 1 端口都工作在记数方式下 同 时启动 T D T J 进行记数 软件定时一段时间后 m T 1 同时停止计数 读取 T H 1 T L 1 和 T H 0 T L O寄存 器的值 则两路电压 和 的 比值就等于 T 1 和 T D寄存器的比值 根据测量原理中的公式 3 就可 以求出外加电压的大小 本 系统 使 用的单 片机 是 A T 8 9 C 5 1 晶振 为 1 2 MH z 由于本系统涉及较多的浮点运算 故采用 F r a n K l i n C 5 1 语言来编写单片机程序 其中采集一 次的程序如下 THe D 0 x T Hl O x 0 0 T L 1 o x D 韧始化记数寄存器 Dd OI 3 0 x S 设置 T 1 为 1 6位记数方式 I C O N O x 5 0 打开 T C O N的 T R 0 T R1 位 咖 r 开 始记数 D e l a y 2 5 5 软件延时 2 5 5微秒 r C O N O O 0 停止记数 dl H 0 2 5 6 T L 0 读取 中的记数值 V T i l l 2 5 6 T L l I 读取I 1 中的记数值 P V V 计算出 v 和v 的比值 R e s u l t P 1 l P 1 计算出结果 P r o e s R e s u l t 处理结果 S h o w R e s u l t 显示结果 3 结果分析与问题讨论 做 为一种测量仪器 本系统还具有自检和 自动 维普资讯 盘第 3 7卷第 4 1 0 期 2 0 0 0年 第 2期 电刮与仪表 础 e e t r i e d M ts u m me n t J 瑙帅 脚l o l 1 V d 3 7 H0 4i 0 F e b 2 0 呻 诵零等功能 对此互感器进行测量范围 温度特性等 性能进行多项试验 结果 如下 测量范 围 5 0 V 一 5 0 k V 温度在一 3 0 4 0 范围内 误差小于i 0 2 抗电磁干扰性和绝缘性能良好 本课题所研制的光电式直流电压互感器为提高 测量精度 采用下面几种方法 1 采用交流调制的方式 有效地抑制了失调和 温度漂移的影响 2 在模拟信号处理上 采用了隔离 滤波和精 密检波等方法 提高了测量精度 3 用 V F变换器实现 A D采样 避免了测量的 不同时带来的误差 通过本系统的多次实验结果以及调研国内外有 关光电式互感器的资料发现 影响光电式互感器的 可靠性与精度的一个关键因素是环境温度的变化 温度对互感器的三个组成部分 光源部分 光纤传感 部分 信号处理部分 均有不同程度的影响 对光源 部分和信号处理部分的影响主要表现为电路的温度 漂移 本系统通过 自动调零和恒温等措施来抑制温 度对这两部分影响 温度对光纤传感部分的影响一 直是光电式互感器研究的重点 如何从传感机理上 消除温度对这一部分的影响 国内外许多研究机构 都提出了一些办法 但完全消除这种影响的方案尚 未见有报道 这种影响是由于光纤传感部分安放于 室外 受外界环境的影响大 尤其是温度的影响 由 于传感头 中各种光学材料的热膨胀系数不相同 温 度的变化使得这些光学材料发生不均匀的热膨胀 从而带来测量误差 本系统是从信号处理的角度出 发 采用交流调制 精密检波和自动调零等获取信号 的最佳值 通过模数变换进行 自适应的数字信号处 理 采用高速的 C P U和高精度的 A D器件 进行数 字信号处理是这种方法的研究重点 也是本课题下 阶段的研究重点 除了温度的影响外 光电式互感器的绝缘系统 光学耦舍 系统等也 是影响 O P T O C T实用化的 因 素 这些主要依赖材料和工艺水平的提高 4 结束语 光 电式互感器符合现代测量仪器发展 的趋势 受到世界各国的普遍重视 在国内对光电式互感器 的研究开始于8 0年代 一些研究所和院校作了大量 工作并取得一定的成果 但投入实际运行的尚不多 见 随着理论上的提高工艺水平的改进 相信不久 光电式互感器在国内外的电力测量系统中将发挥越 来越重要的作用 参考文献 1 E d w a v d A U l m e r J r M e m b e r A H i g l l A c c q O p R c T r a n f d u c e r F o r E l e c c P o w e r S y s t e m s J I E E E T r a n s 0 T P o w e r De l i 州 r y 1 V d 5 N0 2 Ap nI J 0 2 3 刘卫东等检测散弱光信号的 P I N光电检测电路的设计 J 电 撼与仪表 1 9 9 9 4 3 李开成等 从电磁式电压互感器到光学式电压互感器 变压 器 1 9 9 5 1 1 4 马忠梅等 单片机的c 语言应用程序设计 M 北京航空航天大 学出版社 1 9 9 7 5 李红斌等 光学电流传感