有源电子式电流互感器的设计与实现

盛肖炜

摘 要：当前随着我国电力系统的不断发展，电磁式互感器的应用不足越加凸显，而电子式电流互感器凭借着其绝缘性好、测量范围大、无饱和的优势得到了广泛的应用。本文主要针对有源电子式电流互感器的设计与实现进行了具体的探讨。

关键词：有源；电子式电流互感器；设计

电子式电流互感器主要是通过光电子、光纤传感技术对电力系统电流进行测量，其适应了电力计量与保护自动化、微机化发展的需要，是未来电流互感器发展的重要方向之一。因此，做好电子式电流互感器的设计十分重要，下文主要针对其中的有源电子式电流互感器展开具体论述。

1 有源电子式电流互感器概述

在我国整个电力系统中，电流互感器是一个十分重要的设备，其在继电保护、电力系统分析以及电流测量等方面发挥着极为重要的作用。长期以来，电流互感器使用的是电磁感应式的，但是随着电力系统的不断发展，其绝缘、误差以及造价等等问题越加凸显。在此背景下，电子式电流互感器也就应运而生，其克服了传统电流互感器的绝缘问题，有效避免了铁磁谐振、磁饱和等现象的出现，此外该种电流互感器的体积更小，运输与安装更加便捷，大大节省了空间。

当前，根据电子式电流互感器的传感头需要电源与否，可以将其分为两大类：一是无源电子式电流互感器，该种电流互感器的传感头应用的是光学原理，通过光纤传输系统能够把光测量信号传送出去，因此不用进行光电转换，也就无需使用电源；二是有源电子式电流互感器，该种电流互感器的传感头应用的是电磁原理，需要对一次传感器中的电输出信号进行光电转换之后，才能够通过光纤传输系统进行传输。由于一次转换器属于电子部件，因此必须由电源对其进行供电方可。值得注意的是，由于有源电子式电流互感器的应用离不开电源，因此若是电源供应的稳定性达不到要求，则必然会导致系统精确性受到影响，此外，由于电源供电是有限的，因此必须确保电子电路的消耗处于可控的范围内，基于此，做好电子电路的简化工作也是在进行有源电子式电流互感器设计时，十分值得考虑的问题。

2 有源电子式电流互感器的设计与实现

下文主要针对有源电子式电流互感器的具体设计进行了分析。

2.1 有源电子式电流互感器系统结构及其原理

在进行有源电子式电流互感器系统结构设计时，必须保证处在高电位的正弦交流信号能够精确地传送到地面控制室内，并由相关仪表显现出来，对此需将电流互感器的系统分为两大部分：一是高压子系统，二是低压子系统。这二者应通过光纤进行连接，其主要作用在于以下两个方面：一方面可以进行光信号的输送，另一方面则是可以实现高压子系统与低压子系统的有效隔离。如下图所示即为本研究所设计的有源电子式电流互感器系统结构示意图。

如上图中所示，在该有源电子式电流互感器系统中，高压侧母线电流主要是通过Rogowski线圈（罗氏线圈）开展采样工作，由于因为线圈电磁感应做得到的输出电压和电流对时间的导数成比例，因此为了达到获得和电流成比例信号的目的，则必须利用外接积分器，实现信号的有效还原。基于上述原理可以看出，积分器在有源电子式电流互感器的应用中发挥着极为重要的作用，只有确保积分信号的精确性，方能够确保后续的信号数字变换准确无误。

由于Rogowski线圈并不含有铁芯，因此也被称为是空心线圈，其互感系数较小，因此能够感应到的电压信号十分的微弱，通常处于几十至几百毫伏。基于此种情况，该信号在输送的过程中，十分容易因为其他因素的干扰而出现误差，特别是模拟信号处理时必须通过积分的环节，着必然会导致信号出现一定程度的衰减。对此，为了避免这些微弱的感应电压信号因为干扰而影响精度，必须添加放大环节，实现信号的有效放大。

Rogowski线圈所得的信号经过积分、放大等等环节后，会进入到V/F转换环节中，通过V/F转换器将电压转化成脉冲输出，此时脉冲频率和电压呈现为线性关系，因此可以利用对脉冲频率的测量获得电压值。

为了确保V/F转换器所输出的数据能够经由光纤输送至低压端，则必须使用适合的电光转换器。在充分考虑各项技术经济因素后，本系统中决定使用发光二极管，其具有价格低廉、结构简单、稳定性好、能够在较低的驱动电流下展开工作等等优点。

在整个有源电子式电流互感器系统结构中，低压子系统主要是通过接收高压子系统中的光脉冲信号，并将其在此还原成模拟的电信号，其主要过程如下：首先通过光电转换将光纤输送至的光脉冲信号转化为电脉冲信号；其次，由F/V反变换，将电脉冲信号转化成模拟电压信号，并通过示波器进行显示。此外，可以将此信号输入到单片机中，并进行一定的处理与显示，若是有需要，则可以将其与其他终端通信。

2.2 V/F转换电路

通过上述有源电子式电流互感器系统结构的分析可以发现，在整个系统中，高压子系统是系统的重要构成，其在一定程度上决定了系统精确性。目前，在进行有源电子式电流互感器系统的设计时，主要的难点也在于高压子系统中，其一方面体现在高压子系统电源的供应商，另一方面则是体现在高压子系统电子线路功耗和精度上。因为高压子系统中所有的信号处理转换线路的运行功耗均来源于电源的供电，但是其电能是有限的，所以必须做好线路的简化工作，以最小功耗进行信号的处理，达到精确测量的目标。

作为高压子系统的重要组成部分，本研究针对V/F转换电路的设计展开了具体分析。该系统中，应用了LM331芯片，其动态范围较宽，能够达到100（dB）以上，同时其也具有较好的线性度，最大的线性度不超过0.01%，当工作频率处于0.1赫兹也能够具有良好的线性。LM331芯片变换精度十分高，其数字分辨率能够达到12位，仅仅需要简单地接入一些外部元件即可构成V/F转换电路。此外，该芯片还具有良好的温度稳定性，体积小、功耗小，例如：使用5V电源进行供电，其功耗只有15mW。

如上图所示即为LM331V/F变换原理示意图，从图中可以看出，自输入端（Vi+）将正电压输入后，由输入比较器将高电平输出，从而使得R-S触发器置位，由Q将高电平输出，通过输出驱动管导通，而输出端（f0）属于是逻辑低电平，此时电流开关合上，由电流源（IR）对电容（C1）进行充电。在这一阶段，因为复零晶体管截止，使得电源（ Vcc）也经由外接电阻（Rt）对电容（Ct）进行充电。直至电容（ Ct）两端的充电电压超过电源（Vcc）的2/3，定时比较器则会输出高电平，从而促使R-S触发器复位，由Q将低电平输出，此时驱动管截止，输出端（f0）属于是逻辑高电平，而复零晶体管导通后，电容（Ct）经由其实现快速放电。此时，电流开关断开，电容（C1）实现对电阻（R1）的放电。直至电容（C1）放电电压与输入电压（Vi）相等，则输入比较器会再次将高电平输出，从而使得 触发器置位，如此这般循环，形成自激振荡。

在此系统中，由于电阻（Rs、R1、Rt）、电容（Ct）会对转换的结果（f0）产生直接的影响，对此必须确保元件精度；而电容（C1）即使未对转换的结果（f0）产生直接的影响，但也需要使用漏电流小的电容器。利用电阻（R1）与电容（C1）构成低通滤波器，能够大幅降低电压内干扰脉冲，实现转换精度的有效增加。

2.3 精度试验

使用5V单电源对LM331进行供电，通过实验可得其仅仅可在0.3～3.5V的范围内进行线性工作，输出频率保持在1～10kHz。如下图3所示即为LM331V/F转换线性关系示意图，从图中可以明显看出电路线性度较为良好，其输出频率可以真实反映输入电压变化情况。

3 结语

综上，本文主要介绍了有源电子式电流互感器的发展與特点，并设计了一种基于 Rogowski 线圈与VFC的有源电子式电流互感器，其精确度较高、测量范围广、成本低、抗干扰能力强，具有较好的应用前景。

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