有关基于光纤传输的有源光电电流互感器总体设计---中国电子科技集团公司第三十四所毕业论文写作资料-论文写作网

简介:关于对写作高压低压论文范文与课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文高压低压论文开题报告范文和相关文献综述及职称论文参考文献资料下载有帮助。

高压低压论文范文

摘要：提出了一种新型的有源光电电流互感器的总体设计方案,详细介绍了高压侧和低压侧数据信号处理的实现方法,高压侧到低压侧数据信号光线路传输的实现方法及高压侧激光供能的实现方法.给出了基于该方案的试验样机的测试结果.测试结果表明按照该方案研制的试验样机能够满足使用要求.

关键词：光纤传输,电流互感器,Rogowski线圈．A／D转换；D/A转换：激光供能

中图分类号：TM452

文献标识码：A

文章编号：1673-1131(2010)03-022-04

一、引言

在电力系统中,电磁感应式电流互感器被用来测量电流已有一百多年的历史了,它为电力系统的计量、继电保护．控制与监视提供输入信号,具有非常重要的意义.但是随着当今世界电力工业的飞速发展,传输容量及电压等级的不断提高,传统的电磁感应式电流互感器(TA)已经越来越难以满足新的要求.而有源光电电流互感器(OTA)具有频带宽、动态范围大、绝缘性能好、无爆炸危险、不受电磁干扰等传统电磁感应式电流互感器所不具备的优点．在电力工业中具有广泛的应用前景.

有源光电电流互感器是采用Rogowski线圈作传感头,以光纤作为信号的传输媒质,把母线电流转换为光信号由高压侧传输到低压侧接收端来对母线电流进行测量的装置.其中Rogowski线圈是一种较为成熟的测量元件,它实际上是一种特殊结构的空心线圈,可根据被测电流的变化,感应出反映被测电流的变化的电压信号,其特点在于被测电流几乎不受限制,反映速度快,可以测量前沿上升时间为纳秒级的电流．且精确度可高达0.1%从测量大电流的观点来看,Rogowski线圈是一种较理想的敏感元件,由于它不与被测电路直接接触,可以方便地对高压回路进行隔离测量．因此可以将其作为传感元件,用于有源光电电流互感器.下面．首先描述—下Rogowski线圈的工作原理,接着详细介绍一种有源光电电流互感器的总体设计方案.

二、Rogowski线圈的工作原理

将测量导线均匀地绕在截面均匀的非磁性材料的框架上,就构成了Rogowski线圈,如图1所示.被测电流从线圈中心穿过．由电磁感应原理可知任何一个随时间变化的电流i(t)总是伴随着一个随时间变化的磁场环链．这个磁场将在线圈中感应产生电势e(t)．电压e(t)与电流的变化率di(t)/dt成正比.当互感系数M已知,感应电势e(t)为：

e(t)等于 -Mdi/dt

(1)

当Rogowski线圈的结构确定后,就可以通过理论分析计算出e(t)与被测电流变化的关系.假定无限长的导线中,通过电流i(t) -Imcoscot,右边为一圆形测量线圈.根据按图2所示标定的坐标位置,穿过圆形线圈的磁通量为

当然在实际应用中,必须考虑多方面因素对互感系数的影响,因此必须通过一些措施测出实际的Rogowski线圈的互感系数.比较准确的方法是用标准可变互感器构成的电桥回路或其改进电路进行测量.

三、总体设计方案

总体设计框图如图3所示,光电电流互感器是通过高压侧的Rogowski线圈及后续的数据信号处理电路把高压侧的高压母线大电流转变成光信号,通过光纤传递到低压侧,在低压侧作一定的处理后,供测量和保护用.根据实际需要,低压侧信号处理可以在现场完成,也可以将信号传输到控制室后,在控制室完成.

从图3可以看出整个系统可以分为高压侧A/D转换、低压侧D/A转换、高压侧到低压侧光纤传输和高压侧激光供能等几大部分.

3.1高压侧A/D转换及低压侧D/A转换部分

Rogowski线圈采样的信号通过积分电路变为能反映高压母线工频电流的模拟电压信号.由于系统的高压侧和低压侧是通过光纤进行连接的,因此应将模拟量转化为数字量才更适合用光纤来传输,所以必然要用到A/D转换器,以及驱动它工作的时序电路.而数字信号到达低压侧后又要转换成模拟信号才能供电力计量、保护仪表使用,所以又要用到D/A转换器.

考虑到整个高压侧部分是采用激光供能系统来供电,所以在设计高压侧A/D转换电路时应该尽量选用低功耗的A/D转换芯片和时序控制芯片.考虑到整个电流互感器的精确度及复杂度方面．选用的A/D及D/A转换芯片又应该具备：采样频率高、编码位数高、为串行接口、A/D与D/A转换芯片能配对使用等一些特征.因此A/D及D/A转换芯片分别选用了AD公司生产的AD7894和AD7840,它们都是14位串行补码芯片,AD7894的最高采样频率可达到160kHZ,完全满足使用要求.而高压侧的时序控制芯片则采用XC2C32A．它是Xilinx公司生产的低功耗CPLD.当其工作时钟为20MHZ时,功耗只有3.5mW.

光电电流互感器在工作时,低压侧负责时序控制的CPLD每隔一段时间会通过光发射器向高压侧发送一个采样脉冲信号,高压侧的XC2C32A在接收到这个采样脉冲后向AD7894发送一个启动信号．启动AD7894工作．AD7894将Rogowski线圈积分器输出的模拟信号进行A/D转换.A/D转换完成后XC2C32A向AD7894发送“读”时钟信号将采样数据读取出来并通过光发射器发送给低压侧.低压侧在收到高压侧送来的数据以后由CPLD控制．”写”给AD7840．AD7840将送来的数字信号经过D/A转换,输出模拟信号.这样,光电电流互感器完成了某一个采样点的工作.在我们的设计当中是由低压侧来发送采样信号的．这样做的目的是：当我们针对不同的使用需求时,可能要改变整个光电电流互感器的采样频率,这样就可以通过修改低压侧发送采样脉冲信号的频率来改变它．而不需要对高压侧做任何的改动,大大增强了光电电流互感器的易用性.

高压低压正常范围:6月30日柴油电控，低压油路，高压共轨组成与原理

3.2光纤传输部分

高压端经过A/D转换后的串行数字信号需要通过某种方式传送到低压端.在我们的设计中采用光纤作为传输介质．使用光纤作为传输介质能大大提高高压侧和低压侧之间的绝缘性同时也提高了信号传输线路的抗电磁干扰性能.该信号由高压端传送到低压端,经信号处理部分作还原处理,从而完成了高压母线电流信号从高压侧到低压侧的传送过程.

考虑到系统的低功耗设计与串行数字信号的传输速率等问题．这里我们必须选用合适的光发射器和光接收器.本设计光发射器和光接收器分别采用了Agilent公司的HFBR1414集成发射器和HFBR2412集成光接收器.

HFBR-1414属于低功耗LED激光器,发射波长为820nm．最大发送速率为5Mbit/s．能满足设计要求.CPLD输出的串行数字信号经过一个三极管就能直接驱动它,因此,能大大简化电路.HFBR-2412的输出信号能满足论文范文L和CMOS电平的要求,可以方便地实现与数字逻辑电路的接口,不需要复杂的驱动和接口电路,也可以使得整个电路的设计简单化.在光学特性上HFBR-1414和HFBR-2412也能够很好地匹配,使用普通62.5um光纤将它们连接就能实现数据的可靠传输.图4是HFBR-1414和HFBR-2412之间数据收发的实用电路.

3.3激光供能部分

目前,光电电流互感器主要采用两种供能方式：一种是母线供能,利用电磁感应原理,通过铁磁式互感器从高压母线上感应交流电压.然后经过整流、滤波,稳压后为高压侧信号采集系统供电.这种方式中电源与信号采集系统同在高压侧.不存在绝缘问题.但是另一方面,这种供电方式存在死区,当母线电流特别小的时候无法提供足够的电能：并且母线电流变化范围大（几安到数干安）.以lOkV电压等级额定电流为400A为例.母线稳态电流可以在5%～120%额定电流范围内变化.在短路故障情况下.母线暂态电流可达到额定电流的10倍甚至更高.在如此大的电流变化范围内.很难保持电源的稳定.另外一种是低压侧激光供能.它的特点是电源结构简单,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.

由图3可以看出,激光供能系统由低压侧和高压侧两部分组成：低压侧为一个大功率激光器和它的驱动电路组成.高压侧电路由光电池和DC-DC变换器组成.在低压侧,利用激光器将电能转换成光能然后利用光纤将光能传递到高压侧.高压侧的光电池将光能转换为电能.经过DC-DC变换后给高压侧的各功能部分供电.高压侧信号处理系统采用低功耗微处理器,工作电压3.3 V．模拟、调制电路及信号采集系统都采用低功耗元件,单电源3.3 V供电.这样,高压侧光电转换电源提供3.3 V的稳定输出就可以满足高压侧供能的需要.

低压侧大功率激光器采用普通的大功率激光器,输出光功率为500mW.高压侧光电转换器采用的是PPC 6E型光电池,输出电压6V,转换效率在35%以上.DC-DC转换芯片采用低功耗、高转换效率的BL8556—33.光能传输过程中的损耗主要由两部分构成：光纤的衰减损耗和光纤衔接处的插入损耗以现在的光纤技术,每公里衰减损耗可以达到小于O.1 dB,插入损耗小于0.2 dB.考虑上述因素,经传输、变换后BL8556 33的输出功率可达I50mW以上.而我们设计的高压侧部分总体功耗在80mW-90mW．因此这套激光功能系统完全可以满足高压侧部分的供电要求.