光电式电流互感器设计

闵家新 何淼 闫顺 王远航 刘美璇

摘 要：目前，我国电力行业大多使用传统的电磁式电流互感器存在许多问题，如绝缘性不好、成本高、体积大，已经不能满足新的发展需求。本文首先分析光电式电流互感器的工作原理，然后选择光电式电流互感器的类型和供电方案，最终设计了一款以Rogowski线圈和V/F变换为基础的光电式电流互感器。

关键词：光电式电流互感器;VFC;激光光纤供能

中图分类号：TM452.93文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）01-0035-03

Abstract： At present， most of China's electric power industry uses traditional electromagnetic current transformers. There are many problems， such as poor insulation， high cost， and large volume， which can no longer meet new development needs. This paper first analyzed the working principle of the photoelectric current transformer， then selected the type and power supply scheme of the photoelectric current transformer， and finally designed a photoelectric current transformer based on Rogowski coil and V/F transformation.

Keywords： photoelectric current transformer;VFC;laser energy supply

1 光电式电流互感器的工作原理

光电混合式电流互感器工作原理如图1所示。在对高压电流进行测量的过程中，传感头（Rogowski线圈）感应被测电流，并形成与之相对应的电压信号。然后，借助高压侧信号处理电路将模拟电压信号转换为数字光脉冲信号，然后利用光纤信号传输系统向低压侧传输。通过光脉冲的方式传输检测系统，能为光纤提供便利，同时也能提升系统的抗电磁干扰性能。由于高压侧电路通过电子器件实现对电流信号的转换，因此必须要具备稳定的供电电源。光纤在传输高压侧和低压侧电路数据的同时，还能传输光功率，为高压侧电路提供必要的电源[1-3]。

2 光电式电流互感器的类型选择

若以信号采样方式、高压侧信号处理模式为划分依据，可将光电式电流互感器划分为以下3种类型。

2.1 调幅式

调幅式光电式电流互感器的工作原理为：传感头对被测电流进行感应并输出电压信号，对电压信号进行E/O转换后，可将电压信号转变为模拟光信号，然后由低压侧对模拟光信号进行O/E转换，并通过信号调理电路实现滤波和放大，最后利用解调器实现对被测电流的还原。

调幅式光电电流互感器具有结构简单、响应速度快等优势。但是，在进行E/O转换和O/E转换的过程中，会出现功率不稳定的问题，且借助光纤信号传输电路向低压侧传输的模拟光信号抵御外界干扰的能力较差，由此破坏系统的精确度和稳定性，在实践运用过程中面临诸多障碍[4]。

2.2 ADC式

传感头被测电路进行感应并输出电压信号后，借助积分器实现对电压信号的积分处理，并完成A/D转换，将电压信号转变为数字电信号。然后完成E/O转换，将数字电信号转变为数字光信号，并通过光纤信号传输系统向低压侧传输，继续进行O/E转换、滤波放大和D/A转换，实现对被测电流信号的还原。ADC式光电电流互感器的测量功能，以采樣周期符合采样定理为基础，具有转换精度高、反应速度快、功率消耗低等优势。但与此同时，ADC转换过程中存在严重的时序不同步问题，必须在系统中添加时序控制电路，实现向高压侧传输时钟信号的效果。此时，需要引入双光纤信号传输系统，一根光纤用于传输数字光信号，另一根光纤用于传输时钟信号，而这会加剧系统电路的复杂性，随之提升系统的功率消耗[5]。

2.3 VFC式

传感头对输出的模拟电压信号进行感应后，借助信号调理电路进行滤波和放大，并利用压频转换器转换为频率脉冲信号。此时，频率脉冲信号对LED产生驱动作用，促使LED导通亮起并由此转换为光脉冲信号，然后再借助光纤向低压侧传输。由低压侧对光脉冲信号进行O/E转换，将其转变为电脉冲信号，由单片机的脉冲计数器计量脉冲个数，获取被测电流的数字输出信号，或利用压频专户F/V，实现对被测信号的还原。对比ADC模式来看，VFC模式具有结构简单、抗电磁干扰能力强等优势，在远距离传输系统或多路信号传输系统中具有良好的运用价值[6]。综上所述，最终选择构建VFC式光电电流互感器系统。

3 供电方案的选择

3.1 蓄电池供电

蓄电池供电是指在高压母线上安装交流电源，借助分压器实现对稳压电流的滤波、整流，并由此达到为蓄电池充电的效果。这样一来，蓄电池即可为转换探头提供稳定的电源。蓄电池供电的优势在于结构简单、实现难度低、成本低，但也存在使用寿命短、安全隐患多等缺陷。

3.2 太阳能供电

太阳能供电主要是利用光伏效应，将太阳能电池作为转换探头的电源来源。与其他供电模式相比，太阳能供电由于受到昼夜交替、天气变化、光照强度等外界环境的干扰，因此其输出的电源并不稳定，转换功率也难以取得理想的效果，在实际运用中受到阻碍，推广范围相当有限。

3.3 输电线CT取电

输电线CT取电是指将含有铁芯的线圈安装到高压母线上，借助线圈来感应高压母线电流，并输出响应的感应电流信号，然后借助整流、滤波等，为转换探头提供稳定的电源。与其他供电方式对比，输电线CT取电对元件绝缘性能的要求较低，且具有结构简单、运行稳定等优势，但也存在如下缺陷：若母线电流为空载状态时，无法为转换探头提供稳定电流;若母线电流大于额定电流或电路电流，必须在电路中添加保护机制，否则会烧毁后续电路，破坏系统的安全性能[7]。

3.4 激光光纤供能

激光光纤供能以低压侧的半导体激光器为关键元件，其所发射的光信号借助光纤信号传输系统向高压侧电流传输，在光电转换器的作用下，从光信号转变为电信号，并通过DC-DC转换，为高压侧测量系统提供稳定的电能。激光光纤供能具有供能稳定、不受外界环境干扰、实现电气隔离等优势。随着光电技术的飞速发展，大功率激光器的寿命持续延长，性能也得到充分改善，这为激光光纤供能作为光电式电流互感器供能方式创造了良好的条件。

对比以上几种不同的供能方式可知，激光光纤供能具有无可比拟的优越性，符合高压侧电子线路对供电系统的需求。鉴于此，此次设计将光电式电流互感器的供电方式明确为激光光纤供能。

4 系统总体设计方案

以Rogowski线圈为基础的光电式电流互感器包含5个重要部分，分别为传感头、高压侧信号处理电路、光纤信号传输电路、低压侧信号处理电路以及激光光纤供能电路。基于Rogowski线圈和V/F转换的光电式电流互感器如图2所示。

从高压侧部分来看，Rogowski线圈的传感头会感应流过被测高压母线的电流，并输出相应的电压信号，然后借助有源器件对高压信号进行处理;从信号传输部分来看，高压侧向光纤信号传输电路输送耦合形式的数字光脉冲信号，由光纤信号传输电路以数字光脉冲信号的形式向低压侧电路传输;从低压侧信号处理部分来看，低压侧在接收到来自光纤信号电路所传输的数字光脉冲信号后，借助O/E转换，实现对被测电流信号的还原，最终获得电流幅值;从供电部分来看，将激光作为电源，由光纤输送电力，借助大功率激光器取得电能后，利用光纤信号传输系统向高压侧传输电源，并在光电池的作用下将电流信号转变为电能，最后执行DC-DC变换。

5 结语

本文通过选择电流互感器的类型和供电方案，设计了一款以Rogowski线圈和V/F变换为基础的光电式电流互感器。在该互感器系统中，光能来源于激光电源，借助耦合向光纤传输光電，并利用光纤向高压侧传输电能，实现对转换探头的供电，为电子线路的正常运转提供保障。

参考文献：

[1]王敬华，赵卫斌，徐丙垠，等.基于光电式互感器的故障指示器设计[J].供用电，2018（5）：19-24.

[2]许江淳，石河，李瑞，等.基于LabVIEW平台的光电互感器校验仪设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（3）：118-121.

[3]赵锋，苗新军.论光电互感器在实际使用中的优势[J].通讯世界，2015（12）：177-178.

[4]董华梁，陈俊，朱长银.南澳多端柔直系统光电式互感器的应用[J].自动化应用，2014（8）：101-103.

[5]李开成，孙健，何昊.光电电压互感器的误差及误差抑制方法研究[J].电测与仪表，2013（11）：1-3，9.

[6]孙涛.数字式光电电流互感器在变电站中的实际应用[J].中国新技术新产品，2013（17）：23-24.

[7]王波.光电互感器在特高压电网中的应用技术分析[J].中华民居（下旬刊），2013（8）：315-316.