光纤隔离变换器在光电式电流互感器中的应用

崔国友

(902厂，上海 200083)

0 引言

电流互感器 (CT)是电力系统中检测一次输电线路中的电流信息并转换成相应的电信号，传送给二次设备进行测量、保护和控制。无论是高压系统还是低压系统，电流互感器都是不可缺少的一部分，其测量准确度和运行可靠性是实现电力系统安全、可靠、经济运行的前提。传统的直流电流测量方法是基于电磁感应原理，用零磁通或磁调制的方法，对绝缘要求高、结构复杂、设备体积大而笨重、易受电磁干扰、造价高［1］。

随着低损耗光纤的试制成功，目前对传感设备的小型化、模块化、多功能化、数字化和智能化的要求日益增加。此外和传统的CT相比，基于Rogowski线圈的光电式电流互感器 (OCT)具有抗电磁干扰、不饱和、频带宽、测量范围大、准确度高等特点［2］，这都使得OCT的发展与实用化成为现实。而其主要技术之一是光纤隔离变换器的设计，光纤隔离变换器的好坏对OCT整个系统的精度及稳定性有着至关重要的影响。本文在介绍OCT基本原理的基础上，设计了一种基于 (V/F)－(F/V)转换结合光纤传输方式进行电信号隔离和传输的光纤隔离变换器。通过实验验证系统功能稳定，运行可靠。

1 基本原理

1.1 Rogowski线圈的工作原理

Rogowski线圈横截面的形状主要有2种——矩形和圆形，下面以矩形为例对Rogowski线圈传感头的互感系数进行分析计算。其外形结构如图1所示，整个二次绕组均匀地绕在一个环形的非磁性骨架上。

1.2 OCT 的原理

OCT的原理框图如图2所示。Rogowski线圈感应出的模拟电压信号经精密积分器得到一个与被测电流成比例的电压信号，通过前置放大对信号进行处理;接着在高压端把这个信号通过V/F转换成相应的频率信号，通过光纤发生器进行电光 (E/O)转换成调制光脉冲信号。再把这个光脉冲信号通过光纤传到低电位，在低电位端，经光电 (O/E)转换把光信号解调为电信号，最后利用F/V转换电路将频率信号还原成电压信号输出显示。其中V/F、F/V转换电路，E/O、O/E变换电路及光纤共同构成光纤隔离变换器。

图1 Rogowski线圈外形结构与工作原理图

图2 OCT原理框图

2 光纤隔离变换器的设计

2.1 V/F 转换电路

高性能的V/F转换器件可以获得线性度高、带宽大、无死区等优点，同时，压频转换器(VFC)具有良好的温度特性。它的积分特性对输入信号有平均滤波的作用，因此抗干扰能力强。V/F转换的主要方式有两种:多谐振荡式和电荷平衡式［3］。前者价格便宜，功耗低，能输出单位占空比的方波，但是精度较低。后者的精度大大提高，缺点是输入阻抗较低。

综合考虑满度输出频率、线性度、功耗和测量准确度的要求，选用了电荷平衡式同步型低功耗电压/频率转换器AD7741，它是单通道单端同步型VFC，体积小，节省空间。AD7741的输入信号范围0～UREF，UREF为其参考电压，一般取2.5 V，满度输入频率为6.144 MHz，最大积分非线性误差在输出频率1.35 MHz时为0.012%。

图3为AD7741在输入信号范围0～UREF下的转换特性图。从图中可以看出输出频率fout与输入频率fclkin和输入电压Uin有关，且成良好的线性关系。图4为利用AD7741实现的V/F转换电路原理图。图中用的是5 V单电源供电，输入信号为0～2.5 V的单极性信号，REF192给AD7741提供参考电压。由于AD7741不需要接外部电阻和外部电容来确定转换频率，其输出频率由外部晶振决定，而晶体振荡器HA7210非常稳定，可以保证转换电路在温度范围内准确度不变，故选用其来提供1 MHz的时钟源，所以根据图3中的线性关系可知输入满量程的输出信号频率为450 kHz。AD7741的输入信号必须是正信号，所以需对积分器送来的信号进行抬升即加正偏置量。

图3 AD7741转换特性图

从积分器过来的输入信号Uin通过两个等值电阻与REF192第6脚实现信号的抬升并将信号送至AD7741的6脚，4脚接外部振荡器，转换后的频率从8脚输出。为了避免数字噪声耦合到模拟电路中，数字地和模拟地应该分开 (图中HA7210与REF192第 4脚接模拟地，HA7210第 6脚与AD7741第2脚接数字地)，最后在电源地线输入端实现一点接地。

图4 AD7741实现V/F转换电路原理图

2.2 E/O和O/E转换电路

E/O、O/E转换电路主要由驱动器、光纤发射器、光纤、光纤接收器组成。AD7741送出的频率电流信号进入光纤发射器前须经驱动电路进行放大，得到激光器正常发光所需的驱动电流。为此，可采用DS75451M作为驱动器件，其内部电路如图5所示。光纤收发器选用HFBR－1528、2528，其中光发射器为HFBR－1528，光接收器为HFBR－2528，图6为光纤收发器的电路原理图。

图5 DS75451M内部电路

2.3 F/V转换电路

通常没有专用的FVC，但可以利用VFC在特定的外接电路下构成F/V转换电路。从性能优化的角度考虑，选用陶瓷浸渍封装 (Cerdip)AD652，它是单片电荷平衡式VFC－AD650的改进型，最大满度输出频率2 MHz。利用AD652构成的FVC的输入频率范围与VFC的输出频率范围相同。对于2 MHz的时钟信号，FVC的输入频率范围是0～1 MHz。更高的输入频率可以在输入端加计数器分频的方法来实现［5］。

图7为AD652构成的F/V转换电路连接图。

AD652构成的FVC要求待转换的频率信号与系统的时钟信号同步，确保时序的一致性，这样AD652的内部数字电路才能捕捉到输入脉冲的所有跳变，从而完成频率到电压的转换。由于AD7741输出的是正极性脉冲信号，经E/O、O/E转换输出后仍为正极性脉冲信号，必须经反向钳位电路整形，将输出脉冲经两个JK触发器与FVC端系统时钟信号建立正确的相位关系，即可正确触发AD652的内部比较器，以满足FVC的+5V触发电平、负极性脉冲信号输入的要求。FVC的内部数字电路根据由输入脉冲触发的频率开关内部的1 mA精密电流源，积分电容和内部20 kΩ电阻，不断对1 mA电流脉冲积分，产生正比于输入频率的电压输出，从而完成频率到电压的转换，输出的电压范围为0～10 V。

图6 光纤收发器电路原理图

3 实验结果与分析

首先为了进一步说明该光纤隔离变换器的工作原理，设计如下实验:信号源给出模拟Rogowski线圈工频12 mV正弦感应电压，经过精密积分器积分后送入光线隔离变换器。图8中 (a)为AD7741在1 MHz外部时钟源下的输出频率图，从中可以看出在时钟信号的上跳沿触发，说明其同步性;同时输出频率并非恒定值反应了正弦信号的交流特性。

图7 F/V转换电路接线图

图8中 (b)为JK触发器输入与输出频率图，从中可以看出频率信号经反向钳位整形及移相。图8中 (c)为信号源输入电压与AD652输出电压波形图，从中可以看出该光纤隔离变换器工作特性良好。在现场实验中，采用本文所设计的光线隔离变换器采集到的数据拟合曲线如图9所示，从中可以看出该系统具有很好的线性度和精度。

图8 12mV输入电压下实验波形

图9 现场实验数据拟合曲线

综上所述，本文所设计的隔离变换器转换特性良好，工作稳定，可靠性高，结构简单，因此具有广泛的应用前景。

［1］张明明，张艳，李红斌，等.一种新型传感结构的光纤直流传感器 ［J］.传感器技术，2005，24(9):21－22.

［2］朱俊杰，张晓锋，乔鸣忠，等.基于Rogowski线圈的传感头研究 ［J］.海军工程大学学报，2009，21(2):18－22.

［3］舒怀林.单片机原理与接口技术［M］.武汉:华中科技大学出版社，2004.

［4］Zhu Junjie，Zhang Xiaofeng，Qiao Mingzhong，Shen Zhe.Common－Mode Current Measurement of High Voltage Inverter Based on Rogowski Coil［C］.IPEMC －2009，Wuhan，China，2009:1604 －1608.

［5］李建伟，刘小宁，许留伟，等.高精度高电压模拟量光线隔离变换器的实现 ［J］.自动化与仪器仪表，2002，20(6):42－44.