光電式電流互感器的實(shí)用化設(shè)計(jì)

1、第29第2期光電工程Vol.29,No.2 2002年4月 Opto-Electronic Engineering April,2002文章編號(hào):1003-501X(200202-0039-03光電式電流互感器的實(shí)用化設(shè)計(jì)紀(jì)昆,李芙英(清華大學(xué)電機(jī)系,北京100084摘要:為滿足電力系統(tǒng)保護(hù)和監(jiān)控設(shè)備的小型化、自動(dòng)化和高可靠性的要求,設(shè)計(jì)了光電式電流互感器(OECT。OECT集光纖、通信、微機(jī)技術(shù)于一體,能進(jìn)行電流測量、諧波分析和功率計(jì)量。上網(wǎng)試運(yùn)行證明,OECT具有動(dòng)態(tài)測量范圍寬、響應(yīng)速度高、抗電磁干擾等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電流互感器;光電轉(zhuǎn)換;光纖傳輸系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TM452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼: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引言電流互感器(CT廣泛地用于電力系統(tǒng)的電流測量、電費(fèi)計(jì)量。目前,電力系統(tǒng)中的電流互感器大部分基于電磁感應(yīng)原理。隨著電力系統(tǒng)向大容量、高電壓的方向發(fā)展的同時(shí),對(duì)電力設(shè)備提出了小型化、自動(dòng)化、高可靠性的要求。傳統(tǒng)的電磁式電

5、流互感器已經(jīng)越來越不能適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì),迫切需要開發(fā)和研制出一種新型的電流互感器。由于光纖技術(shù)在電流測量中的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì),各國竟相展開了新型電流互感器的研究。光學(xué)電流測量系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì),它的抗電磁干擾性、絕緣的可靠性、寬動(dòng)態(tài)測量范圍以及高速響應(yīng)等特點(diǎn)是傳統(tǒng)CT無可比擬的。上世紀(jì)60年代末70年代初就出現(xiàn)了各種新型的電流互感器的方案。隨著技術(shù)的不斷提高,應(yīng)用光纖的電流傳感器不斷涌現(xiàn),性能不斷提高,有些國家正投入實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行。國際上最為突出的有瑞典ABB公司,用于EHV Series Capacitor Banks上電流監(jiān)測與保護(hù),其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4640A、2003200A,對(duì)400kV單相輸

6、電線的準(zhǔn)確度優(yōu)于1%;日本東京電力公司、東芝公司測量范圍為200A4000A;還有美國、丹麥等也有不同應(yīng)用。國內(nèi),華中理工大學(xué)、清華大學(xué)、電力科學(xué)研究院等也相繼作了研究。本文介紹一種光電式電流互感器的實(shí)用化設(shè)計(jì)。 光電工程 第29卷第2期40 1光電式電流互感器的工作原理 光電式電流互感器的工作原理如圖1所示:高端采用儀用鐵心線圈或羅果夫線圈對(duì)電流采樣,然后將采樣來的電流信號(hào)進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)降投?低端利用光-電變換器 將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),由微機(jī)進(jìn)行處理。光纖在這里既起到高、低端的聯(lián)系作用,又起到高、低端的隔離作用。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1高端電路設(shè)計(jì)光電式電流互感器

7、的高端系統(tǒng)把電網(wǎng)母線的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,通過光纖傳輸系統(tǒng)傳送至低端系統(tǒng)。高端系統(tǒng)包括電流取樣互感器及電路、電源互感器及電路、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、主控CPU 、電磁屏蔽機(jī)箱。如圖2所示,電流信號(hào)通過準(zhǔn)確度等級(jí)較高的電磁式電流互感器來獲取;A/D 芯片采用了具有12位轉(zhuǎn)換精度的高速A/D MAX197;主控CPU 采用INTEL 公司的87C51單片機(jī);高端系統(tǒng)電路的電源從電網(wǎng)母線上取得。 OECT 對(duì)母線電流信號(hào)以及電網(wǎng)電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法有兩種,一種是通過壓頻變換(VFC 的方法,另外一種是通過逐次逼近型A/D 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。目前的VFC 芯片通常功耗較大,而且需要正、負(fù)電壓供電,對(duì)OECT

8、高壓側(cè)的電源要求很高,限制了它的應(yīng)用。 逐次逼近型A/D 也稱為奈奎斯特A/D ,它使用最廣泛的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,技術(shù)相對(duì)成熟。目前,低功耗、高精度、多通道的A/D 芯片種類繁多。逐次逼近型A/D 的采樣轉(zhuǎn)換值是即時(shí)值,只要采樣率滿足采樣定理,利用采樣值就可以完全復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)。當(dāng)采用逐次逼近型A/D 時(shí),OECT 的高壓側(cè)通過一個(gè)微處理器啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換,讀出轉(zhuǎn)換值,并通過串行通訊將轉(zhuǎn)換值傳送到低壓側(cè)。由于對(duì)電網(wǎng)三相電流必須同步采樣,采樣數(shù)據(jù)應(yīng)按照一定的次序向低壓側(cè)微處理器1(見圖4中的P98C58傳送,為了保證時(shí)序的正確,必須由低壓側(cè)微處理器1進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步,這樣高低端模塊之間需要兩根光纖進(jìn)行雙

9、向通信。 2.2抗干擾設(shè)計(jì)在工業(yè)控制領(lǐng)域,包括電力系統(tǒng)中,電子設(shè)備通常要進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì),本文采取了合理的電磁兼容性設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)測量的高精度以及繼電保護(hù)的可靠性。 2.2.1 供電技術(shù)與接地技術(shù)在電源進(jìn)線處加低通濾波電路,濾除高頻干擾;在電路中所有的模擬芯片的電源管腳旁邊就近安放一個(gè)0.1µF 和一個(gè)10µF 高品質(zhì)電容,可以濾除高頻和低頻干擾;在電路中增加了硬件看門狗,當(dāng)單片機(jī)受到干擾程序跑飛之后,該芯片可以使電路復(fù)位恢復(fù)正常工作狀態(tài);電路中采用單點(diǎn)接地法,數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開布線,2002年4月 紀(jì)昆等:光電式電流互感器的實(shí)用化設(shè)計(jì)412.2.2 屏蔽把高端電路和電流

10、采樣互感器以及電源互感器放在一個(gè)屏蔽體內(nèi),可以使外界的電磁場影響減小,同時(shí)在電流采樣互感器和電源互感器的鐵心上包一層1mm 厚的鐵皮,可以減小鐵心漏磁對(duì)高端電路的影響。OECT 的高端屏蔽體為雙層金屬屏蔽,外層為1mm 厚的不銹鋼材料,內(nèi)層為高磁導(dǎo)率的鐵鎳基非晶材料。前者對(duì)于電場屏蔽效果好,后者主要屏蔽磁場。 2.2.3 合理布局當(dāng)干擾磁場與一線圈的軸線垂直時(shí),干擾磁場在線圈中的感生電勢(shì)為零,即不產(chǎn)生干擾;干擾磁場與電子的運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí),電子受到干擾磁場的力為零,也不造成干擾。所以,調(diào)整電流采樣互感器和電源互感器與外界磁場的相對(duì)方位,可以減小干擾。 2.3 光纖傳輸系統(tǒng) 在OECT 中,光纖傳

11、輸系統(tǒng)具有兩個(gè)重要的作用,一是作為高低電壓之間的電絕緣介質(zhì),二是實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)向低壓側(cè)的高速傳送。光纖傳輸系統(tǒng)的原理如圖3所示。 本文中光發(fā)送和光接收器分別采用了美國Honeywell 公司的HFE4226 LED 和HFD3878集成光接收器。HFE4226與HFD3878均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品,工作溫度范圍為-40-100,提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ST 接口。 2.4低端系統(tǒng)設(shè)計(jì) 低壓側(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與高壓側(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊,對(duì)電壓、電流和功率的計(jì)算,提供與繼電保護(hù)和遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)的通信接口。低壓側(cè)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。 低端采用雙CPU 結(jié)構(gòu),51單片機(jī)(P98C58完成電壓、電流的數(shù)據(jù)采集, 8

12、0C196單片機(jī)完成數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示和通信接口工作,它們之間通過雙端口RAM 傳遞數(shù)據(jù)1。 2.5軟件設(shè)計(jì)2.5.1工作流程整個(gè)系統(tǒng)上電后,高低端微處理器各自進(jìn)行初始化,然后由低端數(shù)據(jù)采集處理器向高端發(fā)握手信號(hào),高端處理器收到信號(hào)后,啟動(dòng)A/D ,進(jìn)行采樣,采樣速率由低端數(shù)據(jù)采集處理器的定時(shí)器控制。采樣信號(hào)由光纖傳輸給低端數(shù)據(jù)采集處理器,然后由低端數(shù)據(jù)處理CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和處理。 2.5.2算法設(shè)計(jì)OECT 系統(tǒng)要應(yīng)用于電網(wǎng)的實(shí)際電磁測量中,電網(wǎng)的頻率不一定穩(wěn)定在50Hz,在采樣中或多或少地會(huì)帶來同步誤差,即采樣間隔不恰好等于信號(hào)周期的整數(shù)倍。如果要完成精確的電磁測量,同步采樣誤差已經(jīng)成為進(jìn)

13、一步提高同步采樣測量儀器準(zhǔn)確度的一個(gè)障礙。為了減少同步誤差,提高OECT 的準(zhǔn)確度,采用軟件的方法做補(bǔ)償,這種軟件算法就是準(zhǔn)同步的測量方法。理論分析和實(shí)際應(yīng)用表明2:運(yùn)用準(zhǔn)同步算法,在電網(wǎng)的頻率和50Hz 通常偏差小于0.5%的情況下,能夠有效地減少因?yàn)椴荒芡讲蓸訋淼恼`差。因此,本文采用了準(zhǔn)同步算法來解決非同步采樣的問題。(下轉(zhuǎn)第44頁44光電工程第29卷第2期關(guān)系如圖2,腐蝕液溫度與腐蝕因子的關(guān)系如圖3。根據(jù)圖示曲線,選取合適的腐蝕液濃度和溫度,可以得到較大的腐蝕因子。實(shí)驗(yàn)證明,選取25%的FeCl3腐蝕液及80的溫度腐蝕不銹鋼碼盤,腐蝕因子可達(dá)3.2左右。2.4線條整齊性差及解決辦法不

14、銹鋼材料中含有不易腐蝕的Cr,Ni等雜質(zhì),腐蝕后Cr,Ni則留在線條邊緣處,使腐蝕后碼盤線條邊緣成鋸齒狀。光蝕刻之前對(duì)碼盤毛坯進(jìn)行化學(xué)分析,測試出其Cr,Ni雜質(zhì)的含量,腐蝕時(shí)根據(jù)Cr,Ni的含量在腐蝕液中加入一定的HNO3和Ce(SO42,使得腐蝕時(shí)能將Cr,Ni雜質(zhì)也腐蝕掉,從而得到整齊性較好的線條。腐蝕Cr,Ni的化學(xué)反應(yīng)方程式為8HNO3+3Ni3Ni(NO32+2NO+4H2O(23Ce(SO42+12HNO3+3Cr3Ce(NO32+3Cr(NO32+6H2SO4(3結(jié)束語通過上述幾方面的改進(jìn),解決了光蝕刻不銹鋼碼盤制作工藝中存在的光刻膠粘附性差、腐蝕時(shí)間長、蝕刻深度淺、腐蝕因子小

15、及線條整齊性差等問題,制造出了蝕刻深度達(dá)0.15mm,腐蝕因子達(dá)3.2,且線條整齊性較好的不銹鋼碼盤。參考文獻(xiàn):1光致抗蝕劑組.光致抗蝕劑光刻膠M.北京:科學(xué)出版社,1977.2吳蒙華,趙家齊,劉晉春,等.不銹鋼電化學(xué)蝕刻方法的初步研究J.電加工,1996,19(1:27-29. ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg(上接第41頁3OECT上網(wǎng)試運(yùn)行本文所研制的OECT先后在清華大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了光纖的耐壓試驗(yàn)、在10kV與110kV電壓等級(jí)下的運(yùn)行測試以及在10kV電壓等級(jí)下的抗干擾運(yùn)行試驗(yàn),并在山東菏澤進(jìn)行了10kV和110kV電壓等級(jí)的上網(wǎng)試運(yùn)行,準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于±0.5%,試驗(yàn)表明,光電式電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、抗干擾性好、測量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn),系統(tǒng)成本不會(huì)隨著電壓等級(jí)提高而增加,可應(yīng)用于測量、計(jì)量、保護(hù)等三個(gè)方面。結(jié)束語本文中提出的光電式電流互感器集光纖、通信、微機(jī)技術(shù)于一體,既吸取了傳統(tǒng)的取樣線圈的優(yōu)點(diǎn),又采用了先進(jìn)光纖技術(shù)。光纖在這里既起到了傳輸信號(hào)的作用又起到了隔離作用,巧妙地解決了傳輸與隔離的一對(duì)矛盾,這一對(duì)矛盾的統(tǒng)一使得OECT具有良好的升級(jí)性。參考文獻(xiàn):1曾凡捷,畢超.單片機(jī)與雙端口RAM