光电式电流互感器的实用化设计

1、第29第2期光电工程Vol.29,No.2 2002年4月 Opto-Electronic Engineering April,2002文章编号:1003-501X(200202-0039-03光电式电流互感器的实用化设计纪昆,李芙英(清华大学电机系,北京100084摘要:为满足电力系统保护和监控设备的小型化、自动化和高可靠性的要求,设计了光电式电流互感器(OECT。OECT集光纤、通信、微机技术于一体,能进行电流测量、谐波分析和功率计量。上网试运行证明,OECT具有动态测量范围宽、响应速度高、抗电磁干扰等特点。关键词:电流互感器;光电转换;光纤传输系统;系统设计中图分类号:TM452文献标识

2、码:AA Practical Design for Optoelectric Current TransformerJI Kun, LI Fu-ying(Department of Motor, Qinghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract: In order to meet the requirements for small size, automation and high reliability of protection and monitor equipment in electric power system, an Opto

3、electric Current Transformer(OECT is designed. The OECT consists of optic fiber, communication unit and microcomputer, and it can be applied to current measurement, harmonic wave analysis and power measurement. The trial run in power network demonstrates that the OECT has the advantages of wide dyna

4、mic measuring range, fast response speed and resistance of electromagnetic interference.Key words:Current transducer;Optoelectric conversions;Optical fiber transmission systems;System design引言电流互感器(CT广泛地用于电力系统的电流测量、电费计量。目前,电力系统中的电流互感器大部分基于电磁感应原理。随着电力系统向大容量、高电压的方向发展的同时,对电力设备提出了小型化、自动化、高可靠性的要求。传统的电磁式电

5、流互感器已经越来越不能适应这个发展趋势,迫切需要开发和研制出一种新型的电流互感器。由于光纤技术在电流测量中的数据传输优势,各国竟相展开了新型电流互感器的研究。光学电流测量系统具有明显的优势,它的抗电磁干扰性、绝缘的可靠性、宽动态测量范围以及高速响应等特点是传统CT无可比拟的。上世纪60年代末70年代初就出现了各种新型的电流互感器的方案。随着技术的不断提高,应用光纤的电流传感器不断涌现,性能不断提高,有些国家正投入实际电网运行。国际上最为突出的有瑞典ABB公司,用于EHV Series Capacitor Banks上电流监测与保护,其动态范围可达4640A、2003200A,对400kV单相输

6、电线的准确度优于1%;日本东京电力公司、东芝公司测量范围为200A4000A;还有美国、丹麦等也有不同应用。国内,华中理工大学、清华大学、电力科学研究院等也相继作了研究。本文介绍一种光电式电流互感器的实用化设计。 光电工程 第29卷第2期40 1光电式电流互感器的工作原理 光电式电流互感器的工作原理如图1所示:高端采用仪用铁心线圈或罗果夫线圈对电流采样,然后将采样来的电流信号进行电-光转换,转换后的光信号通过光纤传输到低端,低端利用光-电变换器 将光信号转换成相应的电信号,由微机进行处理。光纤在这里既起到高、低端的联系作用,又起到高、低端的隔离作用。2系统设计2.1高端电路设计光电式电流互感器

7、的高端系统把电网母线的电流信号转换为数字量,通过光纤传输系统传送至低端系统。高端系统包括电流取样互感器及电路、电源互感器及电路、A/D 转换芯片、主控CPU 、电磁屏蔽机箱。如图2所示,电流信号通过准确度等级较高的电磁式电流互感器来获取;A/D 芯片采用了具有12位转换精度的高速A/D MAX197;主控CPU 采用INTEL 公司的87C51单片机;高端系统电路的电源从电网母线上取得。 OECT 对母线电流信号以及电网电压进行数据采集的方法有两种,一种是通过压频变换(VFC 的方法,另外一种是通过逐次逼近型A/D 进行转换。目前的VFC 芯片通常功耗较大,而且需要正、负电压供电,对OECT

8、高压侧的电源要求很高,限制了它的应用。 逐次逼近型A/D 也称为奈奎斯特A/D ,它使用最广泛的模数转换芯片,技术相对成熟。目前,低功耗、高精度、多通道的A/D 芯片种类繁多。逐次逼近型A/D 的采样转换值是即时值,只要采样率满足采样定理,利用采样值就可以完全复现原始信号。当采用逐次逼近型A/D 时,OECT 的高压侧通过一个微处理器启动A/D 转换,读出转换值,并通过串行通讯将转换值传送到低压侧。由于对电网三相电流必须同步采样,采样数据应按照一定的次序向低压侧微处理器1(见图4中的P98C58传送,为了保证时序的正确,必须由低压侧微处理器1进行协调和同步,这样高低端模块之间需要两根光纤进行双

9、向通信。 2.2抗干扰设计在工业控制领域,包括电力系统中,电子设备通常要进行电磁兼容性设计,本文采取了合理的电磁兼容性设计,以实现测量的高精度以及继电保护的可靠性。 2.2.1 供电技术与接地技术在电源进线处加低通滤波电路,滤除高频干扰;在电路中所有的模拟芯片的电源管脚旁边就近安放一个0.1µF 和一个10µF 高品质电容,可以滤除高频和低频干扰;在电路中增加了硬件看门狗,当单片机受到干扰程序跑飞之后,该芯片可以使电路复位恢复正常工作状态;电路中采用单点接地法,数字地和模拟地应分开布线,2002年4月 纪昆等:光电式电流互感器的实用化设计412.2.2 屏蔽把高端电路和电流

10、采样互感器以及电源互感器放在一个屏蔽体内,可以使外界的电磁场影响减小,同时在电流采样互感器和电源互感器的铁心上包一层1mm 厚的铁皮,可以减小铁心漏磁对高端电路的影响。OECT 的高端屏蔽体为双层金属屏蔽,外层为1mm 厚的不锈钢材料,内层为高磁导率的铁镍基非晶材料。前者对于电场屏蔽效果好,后者主要屏蔽磁场。 2.2.3 合理布局当干扰磁场与一线圈的轴线垂直时,干扰磁场在线圈中的感生电势为零,即不产生干扰;干扰磁场与电子的运动方向平行时,电子受到干扰磁场的力为零,也不造成干扰。所以,调整电流采样互感器和电源互感器与外界磁场的相对方位,可以减小干扰。 2.3 光纤传输系统 在OECT 中,光纤传

11、输系统具有两个重要的作用,一是作为高低电压之间的电绝缘介质,二是实现高压侧电流采样数据向低压侧的高速传送。光纤传输系统的原理如图3所示。 本文中光发送和光接收器分别采用了美国Honeywell 公司的HFE4226 LED 和HFD3878集成光接收器。HFE4226与HFD3878均为工业级产品,工作温度范围为-40-100,提供工业标准的ST 接口。 2.4低端系统设计 低压侧系统主要实现与高压侧系统的数据通讯,对电压、电流和功率的计算,提供与继电保护和远程控制计算机的通信接口。低压侧系统的原理结构如图4所示。 低端采用双CPU 结构,51单片机(P98C58完成电压、电流的数据采集, 8

12、0C196单片机完成数据计算、显示和通信接口工作,它们之间通过双端口RAM 传递数据1。 2.5软件设计2.5.1工作流程整个系统上电后,高低端微处理器各自进行初始化,然后由低端数据采集处理器向高端发握手信号,高端处理器收到信号后,启动A/D ,进行采样,采样速率由低端数据采集处理器的定时器控制。采样信号由光纤传输给低端数据采集处理器,然后由低端数据处理CPU 进行数据计算和处理。 2.5.2算法设计OECT 系统要应用于电网的实际电磁测量中,电网的频率不一定稳定在50Hz,在采样中或多或少地会带来同步误差,即采样间隔不恰好等于信号周期的整数倍。如果要完成精确的电磁测量,同步采样误差已经成为进

13、一步提高同步采样测量仪器准确度的一个障碍。为了减少同步误差,提高OECT 的准确度,采用软件的方法做补偿,这种软件算法就是准同步的测量方法。理论分析和实际应用表明2:运用准同步算法,在电网的频率和50Hz 通常偏差小于0.5%的情况下,能够有效地减少因为不能同步采样带来的误差。因此,本文采用了准同步算法来解决非同步采样的问题。(下转第44页44光电工程第29卷第2期关系如图2,腐蚀液温度与腐蚀因子的关系如图3。根据图示曲线,选取合适的腐蚀液浓度和温度,可以得到较大的腐蚀因子。实验证明,选取25%的FeCl3腐蚀液及80的温度腐蚀不锈钢码盘,腐蚀因子可达3.2左右。2.4线条整齐性差及解决办法不

14、锈钢材料中含有不易腐蚀的Cr,Ni等杂质,腐蚀后Cr,Ni则留在线条边缘处,使腐蚀后码盘线条边缘成锯齿状。光蚀刻之前对码盘毛坯进行化学分析,测试出其Cr,Ni杂质的含量,腐蚀时根据Cr,Ni的含量在腐蚀液中加入一定的HNO3和Ce(SO42,使得腐蚀时能将Cr,Ni杂质也腐蚀掉,从而得到整齐性较好的线条。腐蚀Cr,Ni的化学反应方程式为8HNO3+3Ni3Ni(NO32+2NO+4H2O(23Ce(SO42+12HNO3+3Cr3Ce(NO32+3Cr(NO32+6H2SO4(3结束语通过上述几方面的改进,解决了光蚀刻不锈钢码盘制作工艺中存在的光刻胶粘附性差、腐蚀时间长、蚀刻深度浅、腐蚀因子小

15、及线条整齐性差等问题,制造出了蚀刻深度达0.15mm,腐蚀因子达3.2,且线条整齐性较好的不锈钢码盘。参考文献:1光致抗蚀剂组.光致抗蚀剂光刻胶M.北京:科学出版社,1977.2吴蒙华,赵家齐,刘晋春,等.不锈钢电化学蚀刻方法的初步研究J.电加工,1996,19(1:27-29. ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg(上接第41页3OECT上网试运行本文所研制的OECT先后在清华大学高电压实验室进行了光纤的耐压试验、在10kV与110kV电压等级下的运行测试以及在10kV电压等级下的抗干扰运行试验,并在山东菏泽进行了10kV和110kV电压等级的上网试运行,准确度等级优于±0.5%,试验表明,光电式电流互感器具有结构简单、安装方便、抗干扰性好、测量准确度高的特点,系统成本不会随着电压等级提高而增加,可应用于测量、计量、保护等三个方面。结束语本文中提出的光电式电流互感器集光纤、通信、微机技术于一体,既吸取了传统的取样线圈的优点,又采用了先进光纤技术。光纤在这里既起到了传输信号的作用又起到了隔离作用,巧妙地解决了传输与隔离的一对矛盾,这一对矛盾的统一使得OECT具有良好的升级性。参考文献:1曾凡捷,毕超.单片机与双端口RAM