光供电式光纤电流互感器技术报告.docx
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光供电式光纤电流互感器技术报告
光供电式光纤电流互感器技术报告
概述
光供电式光纤电流互感器包含以下五大功能模块:
罗可夫斯基PCB线圈;光供电系统;信号调制与解调部分(高压侧信号调理与发送电路;低压侧信号解调电路);光纤合成绝缘子;电源系统。
其整体框图如下:
图1光供电式光纤电流互感器整体框图
以下分别进行详细叙述。
传感部分技术文件
一、构成
空芯线圈是该电子式互感器的传感部分,它提供正比于被测电流对时间的微分,比例系数被称为空芯线圈的互感系数M。
由于考虑到测量的准确度要求很高,所以我们采用基于PCB板的平面型空芯线圈来实现。
每个线圈由一块主板和若干对成镜像的印制电路板组合而成,成对的PCB板提供感应电势,主板用来实现整体的机械联结,根据被测电流的大小改变镜像印制电路板的数目从而满足不同量程测量系统的需要。
成镜像的印制电路板如图1所示,PCB1的上表面和PCB2的下表面完全一致,PCB1的下表面和PCB2的上表面完全一致,每对镜像PCB板为一组,引出一对出线端子;主板用来连接多对成镜像的PCB板,将其串联起来可以增大感应电势,即增大线圈的互感系数,如图2所示,四组镜像PCB板被均匀的分布在主板上。
图1成对的PCB板
图2多组镜像PCB板的组合
二、测量原理及其计算公式
该方案线圈的原理与传统的Rogowski线圈的原理完全一样,都是在骨架上均匀的绕线。
所不同的是,传统型线圈用漆包线来绕制,而基于PCB的平面型线圈借助于过孔来穿越印制电路板的上下表面。
所有的PCB板均为双面板,该结构用现在的印制电路板设计制造工艺制作起来非常简单,绕线密集匀称。
其自感系数和互感系数的估算和传统的Rogowski线圈的方法完全一样。
平面型空芯线圈的互感系数M由以下公式确定:
式中:
n为镜像电路板的对数;
μ0为真空中的磁导率;
h为单块镜像电路板的厚度;
Ra为镜像电路板上绕线的外半径;
Ri为镜像电路板上绕线的内半径。
基于PCB的平面型空芯线圈的设计中要注意以下几个问题:
(1)每组中的两块PCB板必须呈镜像,这样的PCB1和PCB2为一组可以完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的干扰。
(2)多组呈镜像的PCB板在主板上串联时,应均匀分布,这样可以很好的消除由于平行于电路板的磁力线的干扰。
适当增加PCB板的组数可以进一步改善其抗电磁干扰的能力,从而提高测量的准确度。
(3)主板用来串联多组PCB板,连接时应该区分每组PCB板出线端的正负极性,最终的目的是让多组的感应电势叠加而不是抵消。
(4)主板上要考虑类似于传统线圈的回线,如图2中的虚线所示,其目的是完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的干扰。
(5)为了保障绝缘的高可靠性,每两块PCB板之间需要用绝缘板隔开。
(6)成镜像电路板的数目依据需要的感应电势而定,即通过额定电流的大小和所需感应电势的大小来确定其数目,每对成镜像的印刷电路板产生的感应电势为0.035mV/A(即一次侧电流为1A时的感应电势为0.035mV)。
三、附图说明:
附图包括主板、正面板、反面板和绝缘板的设计图纸,需要用Protel.99及以上版本的软件浏览。
光供电系统的设计
光供电系统分为两个部分:
即低压侧的光源部分和高压侧的光电转换部分。
这两部分通过一根光纤连接在一起,其基本框图如下:
一、关键元器件的选择:
1、光源和光电转换器:
选择光源的重要因素就是光源的寿命。
大功率激光器的寿命都不是很长,一般的大约是5-8年的寿命。
这样的光源用在需要连续长时间工作的地方是很不可靠的。
基于此,我们比较国内外几家公司的产品后,最后选择了美国PhotonicPowerSystems,Inc的产品,该产品的寿命可达到30年以上,不足之处是成本较高。
光电转换器的选择,除了寿命因素外,另外一个重要指标就是光电转换效率,根据美国Photonic公司给出的指标,该公司的光电转换器的效率能达到30-40%。
所以,光电转换器也选用了美国Photonic公司的产品。
2、DC/DC器件:
DC/DC转换器的作用是将光电转换器输出的电能进行稳压,再提供给高压侧的信号处理电路。
所以,选择DC/DC转换器时考虑的几项指标包括:
输入电压的范围大小,转换效率。
输出电压的纹波系数,以及输出电流的大小等。
我们选用了美国TexasInstruments(TI)公司的TPS60110,它的输入电压范围在2.7V—5.4V之间,转换效率可达80%以上(和输入电压大小有关),输出纹波小于10mVp-p,输出电流可达300mA。
二、供电器件的检测:
主要是检测供电转换器的输出随温度变化的情况以及它的转换效率。
温度特性的检测可用下图所示的方法:
电阻R的阻值大小不要过大或过小,按Photonic公司给出的O/E转换器的指标进行适当选择,例:
可选择100—200Ω之间;且电阻的功率要大一些,可选用5W以上的。
O/E转换器被置于高低温试验箱内,温度从-40℃到+50℃之间变化,根据电压表的读数就能知道O/E转换器的温度特性。
O/E转换器的转换效率的测定也可用上述方法,只是O/E转换器不用放在高低温试验箱中,电阻R用一个可变电阻代替。
开始检测时,光源发出一定的光功率(如1W),从大到小改变可变电阻R的阻值,监视电压表的读数,当电压开始急剧下降时,记下此时的电压表读数,并停止实验装置工作,测出此时可变电阻R的阻值,根据:
P=U2/R,可知此时的电功率Pe,有已知光功率Po,则O/E转换器的效率μ=Pe/Po。
三、电路设计:
1、光源部分:
Photonic公司的光源是一个激光器和驱动电路做在一起的光源模块。
它的电源要求是:
-5VDC±5%,2Amax,纹波小于50mVp-p。
它有一个16针的IDC插头,引脚功能如下图:
管脚功能如下:
1、0.5W功率控制,3、1W功率控制
7、8、9、10、-5VDC电源端,
2、4、13、14、15、16接地端,
5、6、11、12悬空
-5V电源接7、8、9、10脚,-5V电源的地接14、14、15、16脚,当1、2脚短接时光源发出0.5W光功率;当1、2脚短接,且3、4脚也短接时,光源发出1W的光功率。
另外,若要发出0—0.5W光功率,则1号引脚接一个电位器的中间抽头,电位器接-5V电源,调节电位器,使一号引脚的电压从-5V上接至0V,则光源发出的光功率从0W—0.5W之间可调;若要发出0.5W—1W可调的光功率,则3号引脚的接法和以号脚一样,不过此时,1、2号脚必须短接。
考虑到高压侧电路的功耗,低压侧光源要发出0.5W或0.5W—1W可调的光功率,则光源模块的控制电路如下图:
由于光源模块工作温度在0℃—50℃之间,此温度范围对于该装置的工作场地来说太窄,所以,我们又用半导体制冷片对整个光源模块进行了温度控制,详细设计见后续温控部分设计文件。
2、高压侧部分的电路设计
因为高压侧的信号处理部分需要+5V和-5V电源,所以高压侧的主要部分共有三个:
O/E转换器、TPS60110输出+5V、TC1219输出-5V。
TPS60110和TC1219都是外围无源器件很少的DC/DC变换器,TPS60110的典型电路只要外接4个电容即可,而TC1219只要3个电容。
高压侧的电路如下:
O/E转换器因为效率只有约40%,它的功耗比较大,在安装时要考虑到散热问题,故将O/E转换器安装于一个铝制的盒盖上,有很好的散热效果。
高压侧信号调理与发送电路:
高压侧电路板分为保护和计量两个通道。
工作过程:
由Rogowski线圈感应的电流微分信号经精密积分器积分还原后得到与被测电流大小成正比的电压信号,该信号经电平位移后送至V/F转换器,得到与被测电流成正比的频率信号后,经LED驱动电路转换成光信号,送至光纤并传输到低压侧电路进行光电转换和解调。
各部分电路设计如下:
精密积分技术:
运算放大器选择低功耗双运放OP220。
积分电阻和电容均选择低温漂精密器件。
电平位移电路:
V/F转换电路:
(KHz)
LED驱动电路:
驱动电阻的选择:
I一般选为4mA
取
分频电路:
由于AD7741工作在1MHz下,而晶振为2MHz,故需要二分频/选择低功耗D触发器,使之工作在二分频状态即可。
光供电及DC/DC变换器电路:
从低压侧传输来的光能量经光电转换为5V的电源,但是该5V不稳定,也没有-5V电源,故经高频率DC/DC转换为稳定的正负5V电源。
光电转换芯片效率可达35%,DC/DC可达90%,电路原理图如下:
光供电分LD驱动模块(低压侧)和光电转换模块(高压侧),他们之间通过62.5/125,NA=0.275的光纤相连接。
LD驱动模块分为LD光源及提供工作电流的电子线路。
它们封装在一个铝盒子里,对外有电源引脚及调节光源光功率的引脚,连接器的引脚分布如图:
1,21-----------光功率控制
3,42-----------地
5,63-----------光功率控制
7,84-----------地
9,105,6-----------NC
11,127,8,9,10------------5VDC
13,1411,12-----------NC
15,1613,14,15,16-----------地
1,2短接,光源输出为0.5W。
1,2短接,3,4短接,光源输出为1.1W。
1,3可连接一电位器,光源光功率可从0到最大功率连续变化。
7,8,9,10端的电源-5VDC,±5%,纹波小于50mvP/P,2Amax
高压侧接收器件为PPC-4T,输出脚标有正负极,接口为ST。
光源驱动模块工作环境0~55℃(另装有温控装置)
第一级参数的选取:
第一级参数的选取主要决定于Rogowski感应的信号大小以及AD7740(AD7741)的最高可转换电压大小。
AD7741:
输入范围为0~2.5V,对经偏置的正弦波来说,可转换的最大电压有效值为
,则积分器对应1.2倍额定电流的输出应该为
=1.76777(由于偏移电路将积分器的输出分压1/2后送至VFC)。
Rogowski线圈在300A时感应电压为140mv
1.2×300A时电压为168mv
故积分器增益应为:
,令
则R=32.99K,考虑到裕量,R可以取大一点合适,取R=33.2K
AD7740:
输入范围为0~4.5V,同理推出积分器最大输出只能为
可根据计量积分器推出保护积分器电阻
倍
=33.2×9.26=307K取R=330K
对于20A
对于2000A,由于只用了2对PCB
取R=56K
低压侧信号解调电路
低压侧信号解调电路分为计量与保护部分,与高压侧计量和保护电路相对应。
一.保护电路工作原理
如图所示,由高压侧发送下来的光信号经第一级HFBR2412转换为电信号,经同步电路74HCT112同步后送至由AD652构成的F/V转换电路转换为与频率成正比的电压信号。
经过线性光隔放大器HCNR200隔离后送至减法电路INA128去掉偏置电压,经过移相电路,送至输出电路。
关键参数:
:
上拉电阻,大小与工作频率有关,取1K。
:
增益电位器,改变隔离放大器增益。
:
调零电位器,调节之使减法放大器输出的直流量最小。
:
输出微调电位器,校准时使用。
计算:
AD652输出
:
光隔输出:
移相器输出:
最终端子输出:
二.计量电路工作原理:
(UAF42)以前电路原理同保护电路部分
UAF42为一万能滤波器芯片,可配合相应滤波器设计软件使用。
UAF42工作在反相偶极点低通滤波工作状态,
为增益调节电阻。
信号经UAF42滤波后送至二级移项电路,最终通过输出电路送至输出端口。
计算:
AD652输出
:
INA128输出
:
UAF42输出:
移相器输出
端子输出
三、电磁兼容设计:
1.每个芯片电源端加去藕电容两个(
)
2.PCB端口输出应用TVS
3.PCB板电源入口加
钽电容
4.PCB布线按照信号的流程布局各电路单元,数字,模拟分开布局
5.应用电磁屏蔽型机箱
合成绝缘子
绝缘子的作用一是保护光纤,二是绝缘,可见绝缘子的选择也很重要。
我们选用了襄樊国网公司生产的合成绝缘子,考虑到和断路器的高度,我们选择的是110KV的合成绝缘子。
这种绝缘子中间穿过三根光纤,一根光供电的能量光纤,两根从高压侧向低压侧分别传送计量和保护信号的光纤。
合成绝缘子的上部与高压侧密封的帽体相连,下部与断路器的底座相连,各个连接部位都进行了密封处理,防止水气进入高压侧内部。
有关连接部分的详细工艺参见工艺文件。
电源的选择
本系统需要多个不同的电源,具体有:
1、根据IEC标准的规定,低压侧的三相电路的电源要分开,不能共地,所以低压侧的三相解调电路需要三套独立的电源,每相电源又包括了模拟电路的正负12V电源和数字电路用的正负5V直流电源。
2、光供电系统的低压侧光源电路需要-5V的直流电源。
以上两种电源因为要求精度高,纹波小,所以我们在朝阳电源公司定做了一个一体化的线性电源。
具体指标有:
输入:
AC220±10%
输出:
1、+12V0.2A,-12V0.2A,+5V0.2A
2、+12V0.2A,-12V0.2A,+5V0.2A
3、+12V0.2A,-12V0.2A,+5V0.2A
4、-5V6A
纹波:
<1mV
3、光供电系统的低压侧的温控电路中,半导体制冷片需要+12V直流电源,温度控制电路也需要+12V直流电源,考虑到半导体制冷片工作时电流较大,有6—8A,对地电位有较大的影响,所以这两种+12V电源也要分开,由于温控电路对电源的精度和纹波要求不高,另外,开关电源的价格比线性电源便宜很多,明纬公司的开关电源性能较好,它的输入范围宽,纹波系数小于1%,效率高,我们选择了明纬公司的开关电源S-100-12作为半导体制冷片的工作电源,T-30B作为温度控制部分的电源。
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