颜研 张涛 申烛 王士敏 罗承沐等
摘要：本文论述了一种用激光供电的混合式光电电流互感器（EOCT），它的额定电压为220KV，额定电流为1200A。本文对这种混合式电流互感器的原理、样机的结构方案进行了研究，并进行了系统整体测试。
叙词：激光供电 电流互感器 电磁干扰 自动温度干扰
1 引言
电流互感器是电力系统中最重要的高压设备之一。它被广泛地应用于继电保护、系统监测、电力系统分析之中。随着现代电力系统的发展，尤其是电网输电压电压等级的提高，迫切需要优质价廉的新型传感器代替传统的电磁式电流互感器。国外在20世纪60年代初就开始了光学电流互感器的研究，由于光纤技术和传感器技术的发展，目前光纤电流互感器的研制开发已日趋成熟和完善，和传统的电磁式电流互感器相比，它具有以下优点：
（1）无绝缘油，不会有安全隐患；
（2）没有磁饱和现象；
（3）无铁芯，因此没有铁磁共振和磁滞效应；
（4）测量带宽和精度可以达到很高；
（5）体积小，重量轻，造价低廉。
光学电流互感器分为无源型和有源型两种。无源型电流互感器以利用法拉第磁光效应的装置为主，它的最大困难是其本身的光学系统折射效应随环境因素而变化，光学传感头中存在着各种形式的双折射，影响了整个系统的精度和稳定性。而有源型电流互感器在高压部分没有采用特殊的功能性光纤和其他光学元件，只是使用了有源电子电路，因此这种电源互感器容易实现并且有长期的稳定性和高的可靠性。但是，电源供给问题却影响了混合型电流互感器的更大范围应用。为此，本文采用了光电池作为系统的电源。光电池的能量由大功率半导体激光二极管发射的808nm波长激光提供。目前，ABB,RITZ公司有类似的产品，额定电压72-765kV，额定电流50-4000A。
2系统的组成和工作原理
2.1系统电源电路
电源供应部分是系统的核心部分之一，由于这种光电式电流互感器的传感头安装在高电位侧，并且完全是由电子线路构成的，因此必须有相应的电源提供给传感头的电子线路。在图1所示系统框图中，激光器、光电转换器和DC-DC变换器构成了系统的电源供应部分，其中，位于低电位侧的激光器将光能量通过光纤传递到传感头部分的光电转换器中，光电转换器的输出经过两组DC-DC变换器后，产生5V和±12V两组电源输出提供给后级的电子线路。
在光电池电源系统里，激光二极管（LD）作为光源，提供驱动电池（PD）的光功率，根据系统总功率需要选用合适的光功率和输出效率的激光二极管后，可以非常满意的得到光电池的恒定功率和电压输出。
1.光电池
实际应用中需要注意的一点是，因为光电池是非线形器件，存在最大功率点和阻抗匹配问题，需要设计匹配的DC-DC转换电路使光电池进入大功率电压区工作，本文设计了一种自举电路，可以较好地解决这一问题，能使光电池稳定工作在5V，220mV的工作点上。
图2为光电池电源系统测试线路图。通过改变LD的驱动电流来调节光电池的输出功率，可以得出图3，从而看出在不同的光功率输入下，光电池在不同的区配电阻上输出不同的最大电功率，在不计传输损耗的情况下，其输出最大电功率为LD输出光功率与LD转换效率和PD转换效率的乘积。
图3(a)中，光电池工作点为44mA、5.0V，输出最大功率为220mW，匹配电阻为111Ω。图3(b)中，光电池工作点为20mA、5.8V，输出最大功率为116mW，匹配电阻为290Ω。
2.激光二极管（LD）的驱动
LD的发光波长和输出功率都随温度而变化，如不采取措施，将影响系统的稳定性。为此本文采取了半导体致冷技术，使用了帕耳贴致冷器设计了自动温度控制电路，使LD工作在20℃左右的条件下，输出恒定光功率。控制电路原理如图4所示。电路中，R1,R2,R3和Rt构成温度敏感电桥，在R1=R3的情况下，选取不同的R2的值可以设定不同的基准温度，以保证LD正常工作温度，满足系统的要求。
热平衡时，制冷器控制热敏电阻的温度，从而使得Rt=R2，V1=V2，电桥处于平衡状态，差放电路输出V3=0，因此比例－微分－积分（PLD）电路输出恒定的电压值，使制冷器提到一恒定的电流，用于补偿LD注入电流引起的热沉温度的升高，从而保持激光器芯片温度的恒定。当热敏电阻探测到热沉温度升高时，Rt下降，感温电桥平衡状态被打破，给出一误差信号（V1-V2），该误差信号经放大后引起PTD电路输出电压Vout上升，制冷电流增大，从而使热沉温度下降，RT升高直至V2=V1，电桥恢复平衡，LD也恢复到原来的温度。同理，当LD温度下降时，控制电路会减小制冷电流以保持LD工作于设定温度，在LD温度很低时，控制电路可以通过PNP管提供反向加热电流，提高LD热沉的温度，使LD恢复正常的工作状态。
3.LD保护
LD是低压工作器件，容易受到静电或电流变化的影响而损坏。为了系统工作可靠性得到提高，需要设计LD驱动保护电路，主要包括限流、防止电流冲击、恒流驱动等主要部分。另外，必须设计专门的LD驱动电源，以实现激光管驱动电流的缓升缓降要求。如图5所示是LD电流驱动源。C1和L1用来抑制电流的快慢，以防止毛刺电流的产生；D1正常供电时不工作，但在突然断电时给流经L1的电流提供一个泄放途径，避免因L1的感性而产生瞬时高压；Z1和Z2限制了LD两端的电压为0.7－5V，主要用于关机后LD的静电防护。因稳压管易坏，这里将两个并联使用以增加系统的可靠性。
2.2高电位侧的传感头
传感头的主要作用是将电流信号通过采样线圈转换成为电压信号，并通过多路信号A/D采样系统将电压信号转变成数字信号，通过发光二极管（LED）将时钟和数据信号通过光纤传递给低电位侧的信号接收部分。
A/D转换电路是整个传感头电路的核心部分，由于传感头的特殊要求，A/D转换芯片应该具有以下基本特征：微功耗，采样率足够高、串行A/D转换，电压双极性输入，高分辨率。综合上面考虑后，本文采用的是AD公司出口的芯片。
在图6中，芯片REF43是一种高精确度的2.5V电压基准源，它的主要作用是提供给A/D转换芯片2.5V的基准电压。这种芯片的最大功耗仅为20mW，转换时间为3.8ps，是完全符合本系统的功耗要求的。
2.3地面低电位介的信号处理
低电位侧的信号处理部分可以分为模拟通道和数字通道两个部分。从高电位侧传递下来的两路串行数字信号（时钟和数据信号）经过放大整形电路的处理以后，在逻辑控制电路的作用下，将四种采样信号（计量用电流信号、保护用电流信号、电源电压监测信号和传感头的温度信号）分开，经过D/A转换器还原成为模拟信号。同时，经过PC机信号采集卡将数字信号采集到计算机里进行数据分析和处理。图7所示为典型一路D/A转换电路。
3系统测试结果及误差分析
3.1系统测试
（1）高电压端采集板部分数据测试。该部分四路A/D转换典型测量值如下：
（2）系统采集数据总体测试。系统测试数据总体上可以分为比差测量和角差测量两个部分。可以得到混合式光纤电流互感器输入－输出比差和角差曲线。图8所示为比差曲线，图9所示为角差曲线。
3.2系统测量误差分析
（1）测量误差：这部分误差主要由信号发生误差和示波器读数误差组成；
（2）标定误差；
（3）器件工作的不稳定性；
（4）电源系统引起的干扰误差：系统电路由于采用大量数字电路，电源受到数字干扰影响，这些干扰会影响D/A转换的精确度，从而产生误差。
4 结语
（1）根据设计的整体结构，采用激光管提供能量的方式，将激光能量提供给高电位侧的光电转换器件，并通过两组DC-DC变换器件提供给传感头稳定的电源供应。这种电源提供方式能够提供大约200mW的总功率输出，可以满足传感器头部电子电路的功耗要求。
（2）设计并实现了系统的传感头部分电子线路。
（3）设计并实现了光接收机的模拟通道的电子线路。
（4）设计了PC机的接口板电路，通过并行接口芯片以及其他的外围控制电路，用软件读取传感头采集的数字信号，并进行数据的处理。
（5）本系统经实验室测试，比差可达到0.5%，角差达到30分左右。
摘自《电源世界》2001.5
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