光供电式纤电流互感器技术报告.docVIP

光供电式光纤电流互感器技术报告 概 述 光供电式光纤电流互感器包含以下五大功能模块：罗可夫斯基PCB线圈；光供电系统；信号调制与解调部分（高压侧信号调理与发送电路；低压侧信号解调电路）；光纤合成绝缘子；电源系统。 其整体框图如下： 图 1 光供电式光纤电流互感器整体框图 以下分别进行详细叙述。 传感部分技术文件 构成 空芯线圈是该电子式互感器的传感部分，它提供正比于被测电流对时间的微分，比例系数被称为空芯线圈的互感系数M。由于考虑到测量的准确度要求很高，所以我们采用基于PCB板的平面型空芯线圈来实现。每个线圈由一块主板和若干对成镜像的印制电路板组合而成，成对的PCB板提供感应电势，主板用来实现整体的机械联结，根据被测电流的大小改变镜像印制电路板的数目从而满足不同量程测量系统的需要。成镜像的印制电路板如图1所示，PCB1的上表面和PCB2 的下表面完全一致，PCB1的下表面和PCB2 的上表面完全一致，每对镜像PCB板为一组，引出一对出线端子；主板用来连接多对成镜像的PCB板，将其串联起来可以增大感应电势，即增大线圈的互感系数，如图2所示，四组镜像PCB板被均匀的分布在主板上。 图1 成对的PCB板 图2 多组镜像PCB板的组合 二、测量原理及其计算公式 该方案线圈的原理与传统的Rogowski线圈的原理完全一样，都是在骨架上均匀的绕线。所不同的是，传统型线圈用漆包线来绕制，而基于PCB的平面型线圈借助于过孔来穿越印制电路板的上下表面。所有的PCB板均为双面板，该结构用现在的印制电路板设计制造工艺制作起来非常简单，绕线密集匀称。其自感系数和互感系数的估算和传统的Rogowski线圈的方法完全一样。平面型空芯线圈的互感系数M由以下公式确定： 式中：n为镜像电路板的对数； μ0为真空中的磁导率； h为单块镜像电路板的厚度； Ra为镜像电路板上绕线的外半径； Ri为镜像电路板上绕线的内半径。 基于PCB的平面型空芯线圈的设计中要注意以下几个问题： （1）每组中的两块PCB板必须呈镜像，这样的PCB1和PCB2为一组可以完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的干扰。 （2）多组呈镜像的PCB板在主板上串联时，应均匀分布，这样可以很好的消除由于平行于电路板的磁力线的干扰。适当增加PCB板的组数可以进一步改善其抗电磁干扰的能力，从而提高测量的准确度。 （3）主板用来串联多组PCB板，连接时应该区分每组PCB板出线端的正负极性，最终的目的是让多组的感应电势叠加而不是抵消。 （4）主板上要考虑类似于传统线圈的回线，如图2中的虚线所示，其目的是完全消除由于垂直穿过电路板的磁力线的干扰。 （5）为了保障绝缘的高可靠性，每两块PCB板之间需要用绝缘板隔开。 （6）成镜像电路板的数目依据需要的感应电势而定，即通过额定电流的大小和所需感应电势的大小来确定其数目，每对成镜像的印刷电路板产生的感应电势为0.035mV/A（即一次侧电流为1A时 的感应电势为0.035mV）。 三、附图说明： 附图包括主板、正面板、反面板和绝缘板的设计图纸，需要用Protel.99及以上版本的软件浏览。 光供电系统的设计 光供电系统分为两个部分：即低压侧的光源部分和高压侧的光电转换部分。这两部分通过一根光纤连接在一起，其基本框图如下： 一、关键元器件的选择： 1、光源和光电转换器： 选择光源的重要因素就是光源的寿命。大功率激光器的寿命都不是很长，一般的大约是5-8年的寿命。这样的光源用在需要连续长时间工作的地方是很不可靠的。基于此，我们比较国内外几家公司的产品后，最后选择了美国Photonic Power Systems,Inc的产品，该产品的寿命可达到30年以上，不足之处是成本较高。 光电转换器的选择，除了寿命因素外，另外一个重要指标就是光电转换效率，根据美国Photonic公司给出的指标，该公司的光电转换器的效率能达到30-40%。所以，光电转换器也选用了美国Photonic公司的产品。 2、DC/DC器件： DC/DC转换器的作用是将光电转换器输出的电能进行稳压，再提供给高压侧的信号处理电路。所以，选择DC/DC转换器时考虑的几项指标包括：输入电压的范围大小，转换效率。输出电压的纹波系数，以及输出电流的大小等。我们选用了美国Texas Instruments(TI)公司的TPS60110,它的输入电压范围在2.7V—5.4V之间，转换效率可达80%以上（和输入电压大小有关），输出纹波小于10mVp-p,输出电流可达300mA。 二、供电器件的检测： 主要是检测供电转换器的输出随温度变化的情况以及它的转换效率。 温度特性的检测可用下图所示的方法： 电阻R的阻值大小不要过大或过小，按Photonic公司给出的O/E转换器的