一种基于光纤传输的宽频带冲击大电流测量系统的研究.docx
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一种基于光纤传输的宽频带冲击大电流测量系统的研究
第46卷第11期
月月2010年112010年
11
HighVoltageApparatus第Nov.46卷
Vol.46No.11
第11期2010
一种基于光纤传输的宽频带冲击大电流测量系统的研究
李光茂1，
李
跃2，
程养春1，
张春雨1，
薛
阳1，
宗文志1
（1.华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京102206；2.中国电力科学研究院，北京100192）摘要：
特高压换流阀在实际运行中往往会受到雷电冲击过电压和操作冲击过电压的影响，为了检验换流阀在电力系统过电压作用下换流阀组件的均压效果，笔者开发了一套基于光纤传输的小尺寸、便携式冲击大电流测量系统，能很好地测量悬浮电位电流，其电流探头为开口式，测量时不需断开被测导线。
其频带为140Hz～19MHz，灵敏度5mV/A，能测量300A以内的冲击电流，满足对大功率晶闸管阻尼回路电流测量的要求。
试验结果表明，该系统能很好地测量处于高电压悬浮电位的晶闸管阻尼回路中的冲击电流。
关键词：
悬浮电位；开口式；光纤传输；宽频带电流测量系统中图分类号：
TM835.2
文献标志码：
A
文章编号：
1001-1609（2010）11-0021-05
AMeasurementSystemforBroadBandwidthHighImpulseCurrent
BasedonOpticalFiberTransmission
LIGuang-mao1，LIYue2，CHENGYang-chun1，ZHANGChun-yu1，XUEYang1，ZONGWen-zhi1
（1.KeyLaboratoryofHVandEMC，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China；
2.ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China）
Abstract:
Aportablehighimpulsecurrentmeasurementsystemwasdevelopedbasedonopticalfibertransmissiontoverifythebalancingeffectofultra-highvoltageconvertervalvesunderover-voltageonelectricpowersystem.Thismeasurementsystemcanmeasurethecurrentoffloatingpotential，anditscurrentprobeistheopentypewithoutdisconnectingtheprimaryconductorinmeasurement.Thefrequencybandwidthofthepresentsystemisfrom140Hz
to19MHz，itssensitivityis
5mV/A，anditsmeasuringrangeisupto300A，soitmeetstherequirementsforthecurrentmeasurementofthedampingcircuitinparallelwithhighpowerthyristor.Experimentindicatesthatthepresentsystemcanmeasurethecurrentinthedampingcircuitofhighpowerthyristorunderhighvoltagefloatingpotential
Keywords:
floatingpotential；openingtype；opticalfibertransmission；broadbandwidthcurrentmeasurementsystem
0引言
随着高压直流输电的广泛应用，对换流阀关键
此，笔者考虑开发一套基于光纤传输的悬浮电位电流测量系统。
光纤上不带金属，可有效地将高压端和低压端隔离起来，测量安全可靠。
技术的研究也越来越被人们重视。
特高压换流阀在实际运行中往往会受到雷电冲击过电压和操作冲击过电压的影响，为了检验换流阀在电力系统过电压作用下换流阀组件的均压效果，开发了一套测量晶闸管阻尼回路电流波形的测量系统，以反算晶闸管上的电压分压。
现有的电流测量系统大部分须将电流探头的前端接地，电信号通过电缆传输到地面后进入采集系统。
而实际运行中的大功率晶闸管往往处在高电位，如果探头的前端接地，绝缘将会带来很大的问题。
因
收稿日期：
2010-04-03；
修回日期：
2010-07-24
1装置的构成
整套冲击电流测量装置由电流探头、光纤传输
系统、示波器等显示装置构成。
光纤传输系统由放大器、光纤和接收器构成，放大器紧接电流探头，将探头输出的电信号转换成模拟光强信号；光强信号经光纤传输到地面，经地面上的接收器还原成电信号，再经由示波器进行显示和采集。
其中，电流探头为开口式，通过电磁感应来测量电流，电流探头输出信号一端接外壳。
外壳为悬浮地，能很好地测量处于高电位的悬浮电位电流。
其主要用来测量阀片阻尼
基金项目：
国家自然科学基金项目（50677064）。
作者简介：
李光茂（1987—），男，硕士研究生，主要研究方向为电气设备在线监测与故障诊断。
·22·
Nov.2010HighVoltageApparatusVol.46No.11
回路中的冲击电流。
2装置的指标分析
阻尼回路频域等效电路图见图1，采用式
（1）模
拟标准冲击电压波形，计算回路中的电流波形。
其中标准雷电冲击电压波和标准操作冲击电压波的特性参数见表1。
U（s）
R
1图1阻尼回路频域等效电路图
U（t）＝U×（e
－t/τ1
－e
－t/τ2
）＝U×（e
－αt
－e－βt
）
（1
）
表1
两种标准冲击电压波的特性参数
波形/μs
α/μs-1β/μs-1雷电冲击1.2/500.0146592.4689操作冲击
250/2500
3.1696×10-4
0.0160
利用式
（1）和图1得到I（s）后再经Laplace逆变换后得
－t
I（t）＝U［（
C1/β－CRC－RC－1/α
）×e＋
C－αt－RC－1/α×e－CRC－1/β
eβt
］
（2）
根据式
（2）冲击电压作用下阻尼回路的典型电流波形和频谱见图2、3。
120
100100A
8010/流60V
k电/40度120幅0.10
-20
0.010
50100150200250
0.001
0.01
0.1
1
10
时间/μs频率/MHz（a）电流波形（b）电流频谱
图2
5kV雷电冲击电压下的电流波形与频谱
5010401
A
30V
/k
流20/度0.1电10幅0.0100.001
-10
01234
50.00011
101001000
时间/ms频率/kHz（a）电流波形（b）电流频谱
图3
5kV操作冲击电压下的电流波形与频谱
由
（2）式计算结果可知，在5～10kV雷电冲击电压下，阻尼回路的电流幅值在30～300A；操作冲击电压下阻尼回路的电流幅值在10～100A。
所以装
置的量程最大应能达到300A。
电流波形的主要频率成分在100kHz（雷电波）和10kHz（操作波）以内，因此要求装置的测量频带尽量低，3dB低频截止频率至少要低于1kHz，其3dB高频截止频率须达到10MHz才能较准确地测量冲击电流。
3电流探头的设计
笔者采用了Rogowski线圈式电流传感器[1-3]。
这
种传感器的主要优点包括：
测量回路与被测电路无电气连接，安全可靠；测量范围较大，从微安级的局部放电脉冲到几十kA的雷电流，调节较方便；测量频带很宽，从几Hz到几MHz；便于做成两半或着开
口，钳套在被测导线上，便于安装，不需断开导线。
3.1
Rogowski线圈设计
Rogowski线圈的分布参数模型[4-6]见图4。
U1UI22
Zload
M′dx
M′dxM′dx
Cstr′dxCstr′dx
Cstr′dx
I3
I4I5
L′dxZskin′dx
L′dxZskin′dx
L′dxZskin′dxZm
C′dx
C′dxC′dxU3
U4U5Zcx＝0lw
x＝lw
x＝lc
图4
Rogowski线圈的分布参数模型
在这个分布参数模型中，Zload为被测电流输入电缆的负载阻抗；M′为单位长度的互感；L′为单位长度的电感；Lskin′为单位长度线圈的集肤电阻；C′为单
位长度线圈的对地电容；Cstr′为单位长度线圈的匝间电容；Zm=Rm+jωLm为积分阻抗；lw为绕线的总长度；lc为输出电缆的长度。
工作在自积分状态下的Rogowski线圈一般匝数较小，线圈互感和自感一般都比较小，线圈固有谐振频率较高。
线圈的高频特性主要取决于线圈与屏蔽壳之间的电容以及杂间电容[7-9]，为了满足高频特性，线圈的匝数也不宜过多。
为了满足自积分条件
ωL>>R+RL，R一般较小，但是不能太小，太小了会影
响灵敏度。
然而对于空心线圈，由于其自感较小导致的低频截止频率较大使得其不满足对冲击电流测量。
因此，笔者采取铁氧体软磁材料作为磁心，以增大线圈电感。
这里选用C型铁氧体磁心，其截面直径15.5mm，磁导率2000，具体尺寸见图5。
2010年11月
图5
电流传感器磁芯尺寸（单位：
mm）
忽略匝间电容，利用基于分布参数的Rogowski线圈的模型来仿真，其仿真结果[10-11]见图6，分布参数见表2。
0.120.1N=5
Ω
/0.08阻电0.06分积0.04N=100.02N=150102103
104
105106
107
108
频率/Hz
图6
N=5、10、15匝时线圈幅频特性曲线
表2
Rogowski线圈的分布参数
匝数
单位长度单位长度单位长度自感/mH
互感/mH
对地电容/pF
N=50.40850.08079412.69N=100.808810.08079412.69N=15
1.2
0.080794
12.69
图6为N=5、10、15匝，积分电阻为0.5Ω时线圈的幅频特性曲线。
由图6可知，N=15匝时虽然低频特性很好，但是高频特性在5~6MHz之间就有一个下限，不满足设计要求。
N=5匝时线圈的高频特性很好，但其低频特性不是很理想，由于所需测量的主要是低频信号，所以测量可能使得信号失真。
所以这里选用N=10匝。
图7为N=10匝，积分电阻分别为0.5Ω和0.1Ω时线圈的幅频特性曲线。
由图7可以看出，积分电阻为0.1Ω时线圈的3dB低频截止频率约为积分电阻为0.5Ω的1/5，其值为40.4104Hz。
因此最后选用积分电阻为0.1Ω。
为了减小积分电阻上的残余电感的影响，这里用10个0.1Ω的电阻并联。
考虑到一定的机械强度和瞬时功率，笔者选用的是直径0.5mm的铜漆包线，绕制线圈时要尽量做到漆包线均匀分布，匝与匝之间的距离尽量大，以减小杂间电容的影响。
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期
·23·
0.060.05R=0.5Ω
Ω
/0.04阻电分0.03积0.020.01
R=0.1Ω
0100
101102103104105
频率/Hz
图7
N=10匝，积分电阻改变时的幅频特性曲线
3.2分压电路设计
由于光纤传输系统的最大输入为1.5V，而线圈
匝数为10、积分电阻为0.1Ω时对300A输入电流
的输出电压达到3V，所以笔者设计了电阻分压器进行降压。
分压器用两个9kΩ的电阻串联，这样既阻尼了冲击电流波形波峰附近的振荡，又可以使量程达到300A。
3.3
屏蔽壳的设计
为取得足够的屏蔽效果，屏蔽盒壁厚度在3mm
以上，盒的中线缝隙选为2mm，材料为硬铝。
此外，屏蔽盒与线圈之间的电容应尽量小，笔者将两者之间的距离控制在5mm以上。
4
光纤传输系统的设计
4.1
方案选择
光纤传输系统既可以采用模拟方式，也可以采
用数字方式。
所谓数字方式是指模拟电信号首先由
A/D转换器或压频转换器变成数字信号，这种方式
避免了光纤对模拟信号的衰减，但是需要比较复杂的控制电路和模数转换电路。
特别是当测量频带较高（文中要求光纤传输系统的频带达到15MHz）时，模数转换电路异常复杂。
模数转换速率将对传感器测量频带产生限制，而且数据存储长度也会对测量时间产生限制。
所谓模拟方式是指光纤直接传输模拟信号，即光强表示信号的强度。
这种方式不需要模数转换，电路简单。
放大器接收传感器的信号，加以功率放大，并叠加上直流偏置，使发光管发光。
直流偏置向发光管提供60mA的直流电流，使发光管处于线性范围的中心点。
与信号对应的电流波形叠加在60mA直流上，使光强发生变化。
接收电路去除光强中的直流成分，并将光强信号转换成电压信号，从而复原被测电流波形，这种传输方式具有电路简单、功耗小、体积小的优点。
但是，由于光纤接头对光强有微小衰减，并且发光管的效率与环境温度相关，因此该方式
·24·
Nov.2010HighVoltageApparatus
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需要经常对光路系统进行标定。
4.2光纤传输系统的设计
笔者采用发光管HFR1414T和接收管
HFR2416T构建光纤传输系统。
HFBR-14系列发光
管拥有820nm的AlGaAs型发光二极管，通过双镜头设计能够有效地将光耦合到50/125μm、62.5/
125μm、100/140μm和100/200μm4种光纤中。
该发光管发光效率高，可靠性高。
该发光管的最佳工作范围为20~100mA，中心工作点为60mA，对应的工作电压为1.5~1.85V，中心工作电压约为1.7V。
其伏安特性见图8。
10080A
m60/流电4020101.2
1.41.61.82.02.2
电压/V
图8
HFR1414T的伏安特性
4.2.1放大器设计
综合考虑频率、功耗、输入阻抗、输出功率、供电
等多方因素，选用AD812进行放大器设计。
AD812是±3V供电的双运放，其单位增益3dB带宽达到
145MHz，输入电阻15MΩ，输入电容1.7pF，可以
输出50mA较大电流。
放大器由两只3.7V可充电手机电池供电。
4.2.2接收器设计
综合考虑频率、功耗、输入阻抗、输出功率、供电
等多方因素，选用AD818进行接收器设计。
AD818拥有100MHz的3dB带宽和500V/μs的压摆率，
±5V供电。
4.2.3
光纤传输系统的性能测试
1）光纤传输系统的频带测试。
利用正弦波测量
该系统的幅频特性。
放大器输入为频率变化的正弦波，幅值保持U峰-峰不变。
测量接收器输出信号的幅值，得到光纤传输系统的频谱特性，见图9。
该系统的3dB带宽超过19MHz。
2）光纤传输系统的线性度测试。
利用正弦波测
量该系统的线性度。
放大器输入为幅值变化的正弦波，频率保持1kHz不变。
测试结果见图10，输入与输出显现良好的线性度。
3）光纤传输系统的量程测试。
从图10可知，超
过3U峰-峰时，输出明显变小。
因此，该系统的最大量
1.5
V
/压1.0
电出输0.5
110100100010000频率/kHz
图9
光纤传输系统幅频特性
3.53.0V
2.5/压2.0电出1.5输1.00.50
0.51.01.52.02.53.03.5
输入电压/V
图10
光纤传输系统线性度
程为±1.5V。
图11为满量程时的三角波测试结果，其中通道1为信号发生器输入波形，通道2为接收器的输出波形。
图113U峰-峰三角波测试
5
装置的性能测试
5.1
测量系统的频带测试
信号发生器产生频率可调的正弦波信号，作为
传感器的原边输入电流，利用示波器测量接收器输出信号。
逐次改变输入电流的频率，记录输出电压与输入电流幅值之比，可得小电流传感器测量系统的幅频特性。
由于原边电流很小，为使副边输出电压可测，积分电阻选用0.5Ω，并且未加分压电路；传感器的输出信号经光线传输系统传至示波器。
光纤传输系统的标定系数为0.8（即输入1V对应输出0.8V），测量结果见图12。
由图12可知，线圈在0.5Ω积分电阻下的3dB频带为700Hz～19MHz。
但实际上电流传感器的积分电阻为0.1Ω，而不是0.5Ω，所以实际小电流传感器的低频截至频率将会更低。
而高频截至频率受到了信号处理与传输系统的限制[12-14]。
2010年11月
108V
m6/U42
0.00010.0010.010.1
1
10
频率/MHz
图12
电流线圈传感器的幅频特性曲线
5.2电流传感器的转换比试验
线圈型电流传感器的转换比与被测信号的频谱
有关。
在3dB带宽内，小电流传感器的转换比理论值为5mV/A。
试验在冲击电压发生器上进行。
冲击电压波形施加在波尾电阻（150Ω并联200Ω）上，形成被测电流。
利用泰克探头TEKP6015A（分压比
1000∶1）测量波尾电阻上的电压波形，根据欧姆定
理转换成电流波形。
光纤传输系统的标定系数设定为0.8。
由测试结果知小电流测量系统的转换比为
5mV/A。
而且这两条曲线的形状完全一致，按照上
述转换比折算到原边冲击电流时波形重合，见图
13，说明小电流传感器在高频、低频段的转换比保持
不变。
220180A
140/流电流传感器
电10060泰克
20-20
-40-20
20
40
60
80
时间/μs
图13
电流传感器与泰克探头测量结果对比
5.3电流传感器的线性度测试
试验方法同转换比试验。
逐次调节电压（15~
45kV），以获取不同的冲击电流幅值。
利用泰克探头
测量波尾电阻上的电压，以此计算被测电流幅值（100~300A），测量结果见图14。
每个测点由60次测量结果取平均值获得。
可见电流传感器具有较好的线性度，最大误差为0.48%，测量范围达到了300A。
6结语
笔者设计的基于光纤传输的宽频带冲击大电流
测量系统，测量频带达到140Hz～19MHz，量程达到
300A，线性度良好。
该系统利用光信号的强度表示
电信号的强度，因而光信号的强度波形就是电信号波形，省去了数字光纤传输系统所需的传感器上的高速模数转换装置，不但减小了高电位中的仪器的
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300260A
/流220电小180140
100140180220260300
泰克折算后电流/A图14
电流传感器线性度测试结果
体积和难度，而且消除了模数转换速率对传感器测量频带的限制以及数据存储长度对测量时间的限制。
鉴于光纤的良好电气绝缘性能，该系统能很好地测量处于高电压悬浮电位的晶闸管阻尼回路中的冲击电流。
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