高壓直流測量系統(tǒng)

1、特高壓直流輸電電流測量系統(tǒng)一、背景 高壓直流輸電（High Voltage Direct Current transmission，簡稱HVDC）是一項(xiàng)新技術(shù)，運(yùn)用高壓直流輸電可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)性能、運(yùn)行可靠性和調(diào)度靈活性。直流輸電是目前世界發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段，它與交流輸電相互配合，構(gòu)成現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)。相對于交流輸電，直流輸電具有線路造價(jià)低、線路損耗小、系統(tǒng)穩(wěn)定、可以限制短路電流、調(diào)節(jié)快速、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。高壓直流輸電線路上的直流電流是高壓直流輸電直流控制保護(hù)系統(tǒng)的重要技術(shù)

2、參數(shù)。由于直流線路沿線地區(qū)環(huán)境污染、外力破壞以及雷擊等因素的影響，直流線路故障率逐年升高。如何保證直流線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行， 提供一種高速可靠的線路保護(hù)方案，就成為一個(gè)急待解決的直流輸電技術(shù)問題。二、高壓直流電流測量方法的介紹直流大電流測量技術(shù)是高壓直流輸電系統(tǒng)、城市地下鐵道、電氣化鐵路、金屬冶煉工業(yè)及核物理、大功率電子等科研實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，也是電磁測量領(lǐng)域的一個(gè)相對獨(dú)立的重要的問題。常用的直流電流的測量方法就其原理可分為兩大類：一類基于歐姆定律，根據(jù)被測電流在已知電阻上的電壓來確定被測電流的大??；另一類是根據(jù)被測電流所建立的磁場為基礎(chǔ)，將電流的測量問題轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龅臏y量問題來測量電

3、流。1、 歐姆定律法測直流大電流利用電阻量具測量直流電流是最早采用的一種方法。它根據(jù)被測電流流過已知電阻而測量其電壓降來確定被測電流的大小。電阻量具有兩種形式，一種是標(biāo)準(zhǔn)電阻， 另一種是分流器，前者用于實(shí)驗(yàn)室作為標(biāo)準(zhǔn)，供校驗(yàn)直流測量裝置之用，后者用于生產(chǎn)現(xiàn)場條件下測量。分流器的構(gòu)造見圖1，它是由多片高電阻系數(shù)、低溫度系數(shù)的錳鎳銅合金薄片1 組成，這些薄片的兩端焊接到黃銅塊的槽內(nèi)、銅塊又與幾根大銅排焊接，作為電流接線端2，與被測直流母排扦接串聯(lián)其中，電位接線端3 接直流電壓表，通過電壓表可換算出直流電流。圖1分流器示意圖2、 磁場效應(yīng)法測直流大電流根據(jù)被測電流所建立的磁場來測量電流的方法種類繁多

4、，依據(jù)物理效應(yīng)主要有電磁感應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法、巨磁阻抗效應(yīng)法、光柵結(jié)合磁致伸縮材料法和法拉第磁光效應(yīng)法等。對上述兩類不同原理的測量方法分析：分流器雖然本身消耗功率較大、結(jié)構(gòu)較笨重、拆裝需要停電斷開母排。但作為高壓區(qū)傳感元件，結(jié)構(gòu)簡單，自身不需工作電源，測量沒有方向性，測量準(zhǔn)確度不受外磁場影響，性能比較穩(wěn)定，加之采用現(xiàn)代光纖傳感技術(shù)進(jìn)行高低壓側(cè)間電氣隔離，其優(yōu)良的絕緣性能使得分流器測直流法已經(jīng)成為高壓直流測量領(lǐng)域一種有效方法。三、高壓光纖電流測量系統(tǒng)的研究意義高壓直流輸電技術(shù)誕生于國外。目前，從全球市場占有率來講，絕大部分由兩大跨國公司ABB和SIEMENS公司所瓜分。在中國直流輸電市

5、場上，三峽-常州之前的超高壓直流輸電工程（不含舟山、嵊泗、靈寶工程），也是由上述兩家公司成套或?yàn)橹鞒商紫嚓P(guān)設(shè)備。葛南直流輸電工程由BBC公司總承包，天廣直流工程由西門子公司總承包，工程設(shè)備全部直接進(jìn)口。將工程承包給國外有技術(shù)實(shí)力的公司建造，不可否認(rèn)歐美國家的設(shè)備制造水平遠(yuǎn)高于國內(nèi)廠家，但由此造成的一些負(fù)面的問越也隨之浮出水面:一方面由于國內(nèi)沒有常握直流輸電的核心技術(shù)，沒有能力制造直流輸電的核心設(shè)備，外方的設(shè)備在國內(nèi)沒有競爭壓力.壟斷了價(jià)格，工程造價(jià)居高不下。另一方面由于國內(nèi)沒有掌握核心技術(shù)，對外方技術(shù)依賴十分明顯，運(yùn)行維護(hù)成本難以下降.并隨著設(shè)備運(yùn)行年限的增加而直線增加。同時(shí)國外控制、保護(hù)技術(shù)

6、更新?lián)Q代較快，很多工程投運(yùn)3-5年后，國外技術(shù)已全面升級.無法購買到備品備件，一旦出現(xiàn)設(shè)備損壞需要特殊定制配件，價(jià)格十分昂貴。 考慮到我國HVDC規(guī)模將不斷擴(kuò)大, 為扶植民族工業(yè), 國家電網(wǎng)公司和國務(wù)院有關(guān)部門提出了HVDC 工程國產(chǎn)化的建設(shè)方針。直流輸電工程國產(chǎn)化主要包括直流系統(tǒng)研究和成套設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)技術(shù)以及直流設(shè)備制造國產(chǎn)化兩大范疇。換流閥、換流變壓器和平波電抗器、濾波器、控制保護(hù)設(shè)備（含直流測量設(shè)備）是直流輸電工程的關(guān)鍵設(shè)備。推進(jìn)直流輸電關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，不僅是市場競爭的需要，也是進(jìn)一步提高我國重大技術(shù)裝備和產(chǎn)業(yè)研發(fā)水平、增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力、帶動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈全面進(jìn)步的重大舉措 。目前

7、，國內(nèi)高壓直流輸電系統(tǒng)相應(yīng)的高壓直流電流、諧波電流測量設(shè)備的研究處于起步階段，尚無系統(tǒng)全面的研究?；陔姶鸥袘?yīng)原理的傳統(tǒng)設(shè)備對絕緣要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備體積大而笨重，易受電磁干擾，造價(jià)高。鑒于我國高壓直流輸電技術(shù)中的需要，研究新的電流測量方法及技術(shù)已迫在眉睫。近代光電子、光纖通訊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，推動了光電測量系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。因采用光電系統(tǒng)傳輸信號可以解決高壓測試系統(tǒng)絕緣及抗干擾兩大問題而具有獨(dú)特的優(yōu)越性。光纖具有優(yōu)良的絕緣性能，可依附于絕緣子上（包括換流站常用的瓷絕緣子、支柱絕緣子以及合成絕緣子），絕緣子長度按照慣例設(shè)計(jì)即可不用特別的地加以改變，800kV光纖電流傳感器與500kV的不同僅

8、在于傳輸光纖的長度，易于實(shí)現(xiàn)，所以，特高壓直流電流測量的發(fā)展方向是采用光纖電流傳感器。與基于傳統(tǒng)測量設(shè)備相比有以下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）光纖的引入解決了高電壓等級的絕緣難題，降低了設(shè)備造價(jià)。（2）采用光纖傳輸信號徹底實(shí)現(xiàn)了高低壓間的電氣隔離，進(jìn)出傳感器的都是弱光信號，二次側(cè)開路時(shí)不會產(chǎn)生危險(xiǎn)的高壓，因此保證了現(xiàn)場人員和設(shè)備的安全性，且抗電磁干擾能力強(qiáng)。（3）測量頻帶寬、動態(tài)范圍大、體積小、由于無鐵芯及復(fù)雜的絕緣材料，重量輕大大減輕。（4）適應(yīng)了高壓直流輸電系統(tǒng)保護(hù)數(shù)字化、微機(jī)化和自動化發(fā)展的方向。四、有源式光纖直流電流測量系統(tǒng)所謂有源是指處于高電位的傳感電路必須有穩(wěn)定的直流電源支持才能正常工作。根據(jù)

9、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢，將常規(guī)的傳感元件與光纖通信技術(shù)結(jié)合是今后一段時(shí)間內(nèi)高壓直流測量技術(shù)的發(fā)展方向。在換流站這樣具有強(qiáng)電磁場的環(huán)境下，模擬電信號遠(yuǎn)傳肯定是不可取的，必須在高壓側(cè)轉(zhuǎn)換為數(shù)字號后傳輸，因此，需要在高壓側(cè)引入處理電路，并提供相應(yīng)的工作電源。有源式結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性，便于零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化，是目前業(yè)界普遍認(rèn)同的一種結(jié)構(gòu)方案。1、 有源式光纖電流測量系統(tǒng)的工作原理有源式光纖電流測量系統(tǒng)由直流分流器、空芯線圈（Rogowski線圈）、高壓側(cè)調(diào)制電路、高壓側(cè)光供電電源、光纖傳輸系統(tǒng)、低壓側(cè)解調(diào)電路等組成。 圖2有源式光纖電流測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，分流器串聯(lián)于被測直流線

10、路上，將正比于被測直流電流的電壓信號取出。同時(shí)，使用了空心線圈將線路上的諧波電流變換成與其微分信號成正比的電壓信號。高壓側(cè)調(diào)制電路將這兩路信號電壓調(diào)制為光信號，經(jīng)光纖傳輸至低壓側(cè)解調(diào)電路，還原為正比于被測直流電流的電壓，經(jīng)標(biāo)定后得到直流電流及諧波電流值。由于目前關(guān)于高壓直流輸電系統(tǒng)電流測量設(shè)備的國家技術(shù)規(guī)范正在擬定過程中，有源式光纖電流測量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)參照三常直流輸電工程中ABB公司的技術(shù)參數(shù)擬定：額定直流電流3000A，300-3000A范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為0.5，階躍響應(yīng)時(shí)間500；額定諧波電流125A，準(zhǔn)確度5，頻帶范圍為1003000Hz。2、傳感元件的設(shè)計(jì)和制備（1） 分流器的技術(shù)參數(shù)在

11、直流大電流測量中，分流器是最早采用的測量裝置，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確可靠，單個(gè)分流器通常適宜測量1萬安以下的電流。錳銅因?yàn)殡S溫度升高其電阻變化不大的特性被用作制作分流器的材料。分流器的主要技術(shù)參數(shù)為額定輸入電流和額定輸出電壓。額定輸入電流：分流器本質(zhì)上是電阻，當(dāng)電流通過時(shí)會產(chǎn)生熱量。對于錳銅分流器而言，分流器的額定輸入電流是通過在如下規(guī)定的測試條件下達(dá)到錳銅材料的特定溫升所需的功率來確定的：1、 參考溫度：25（±2）2、 位置：分流器的錳銅片處于垂直位置，利用天然的空氣對流3、 連接：端子排與電流母線緊密對接，確保足夠的插入深度和接觸面積如果實(shí)際工作狀況與上述條件不符，分流器可以

12、在不超過錳銅允許溫升（以免引起分流器早期失效、降低可靠性和準(zhǔn)確度或者導(dǎo)致電阻的永久改變）的條件下降額或超額工作。分流器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了選擇合適的分流器，額定輸入電流主要考慮工作方式（連續(xù)運(yùn)行、間歇運(yùn)行、瞬態(tài)運(yùn)行）、特殊環(huán)境（高溫或者高緯度）、允許溫升（正常或者限制溫升環(huán)境）、分流器安裝（密封、強(qiáng)制風(fēng)冷）等幾種情況及其綜合情況。對于周期短時(shí)間工作的分流器，其實(shí)際輸入電流可用下式保守地估計(jì)：其中D是分流器通電時(shí)間占空比，是最大連續(xù)功率，是標(biāo)稱額定功率，是最大脈沖功率。若一個(gè)800Amp 500mV分流器每分鐘通電15秒，那么該分流器實(shí)際負(fù)載電流為919A。如果分流器工作的環(huán)境溫度超過參考溫度，為

13、了防止錳銅溫度升到125安全溫度以上，引入一個(gè)降額因子計(jì)算降額功率。T是參考溫度和工作環(huán)境溫度的差值，A是分流器在工作環(huán)境溫度以上的允許溫升值。若一個(gè)150Amp 50mV分流器工作環(huán)境溫度為100，那么它承受的最大電流用上式計(jì)算為60.9A。在一些應(yīng)用中，為了限制分流器的溫升以獲得更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性或者保護(hù)臨近分流器的其他設(shè)備，會引入一個(gè)降額系數(shù)K2，它可以用下式計(jì)算：t是額定溫升和允許溫升間的差值。此時(shí)，若一個(gè)800Amp 50mV的分流器溫升允許溫升為75，那么它的最大安全負(fù)載為503.4A。額定輸出電壓：為了測量直流大電流方便起見，人們通常希望所用的分流器能相互替換，因而對分流器的額

14、定輸出電壓有所規(guī)定。常規(guī)分流器的額定輸出電壓有30mV、45mV、 50mV、60mV、75mV、100mV、150mV 和 300mV 等。由于分流器安裝在額定直流3000A的戶外高壓線路上，環(huán)境溫度變化范圍是-5050，不能采用強(qiáng)制風(fēng)冷及液體冷卻的方式，所以分流器應(yīng)該降額使用，根據(jù)所選分流器的額定輸入電流值應(yīng)大于等于連續(xù)電流值1.5倍的原則，選擇分流器的額定輸入電流值為4500A。在額定輸入電流確定的情況下，分流器的額定輸出電壓越大，越有利于提高分流器后級的測量準(zhǔn)確度；但額定輸出電壓越大，其功耗亦會提高，發(fā)熱增加，不利于分流器的長期運(yùn)行。常規(guī)分流器的額定輸出電壓有30mV、45mV、 50

15、mV、60mV、75mV、100mV、150mV 和 300mV 等。兼顧了分流器的低功耗和后級檢測電路的要求，選擇分流器的額定輸出電壓為50mV。除了上述參數(shù)外，分流器的溫度系數(shù)也是我們最關(guān)心的問題。實(shí)際上錳銅電阻隨溫度變化的曲線并不是線性的，也就是說即使有可靠的工作溫度范圍也不能保證分流器測量精度的可靠性，盡量平坦或接近線性的溫度特性才是我們需要的?；谝陨弦蛩兀性葱透邏汗饫w直流電流傳感器使用的分流器是Canadian Shunt Industries Ltd.（CSI）公司的H-4500-50mV-DC型直流電流分流器，額定輸入電流4500A，額定輸出電壓為50mV，其外形和溫度特性曲

16、線見圖3、4，其溫度系數(shù)為ppm/。 圖3 H-4500-50-DC型直流分流器 圖4 直流分流器溫度特性曲線（2）分流器的誤差分析與補(bǔ)償措施用分流器測量直流大電流，分流器的準(zhǔn)確度和在各種不同因素作用下電阻的穩(wěn)定性對直流大電流測量的誤差起著主要的作用。主要誤差有：穩(wěn)定性誤差、電流分布不均勻的誤差、負(fù)載誤差、由于電位導(dǎo)線連接方式不同所引起的誤差、熱電勢誤差等，根據(jù)應(yīng)用場合需要采取措施補(bǔ)償。3、 高壓側(cè)電路供電方式由于光纖只能夠傳輸數(shù)字信號,有源式光纖電流測量系統(tǒng)必須在高壓側(cè)對傳感頭的輸出信號進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,這就勢必要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信號處理，所以需要向高壓側(cè)的電子電路供

17、電。為了確保高壓側(cè)電子電路的正常工作，必須提供穩(wěn)定、可靠的工作電源，因而也就帶來了電路的供能問題。由于這種供電技術(shù)較為特殊，因此高壓側(cè)的供電方式成為有源式光纖電流測量系統(tǒng)研究中的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一。激光供能系統(tǒng)的原理見圖5, 它由低壓側(cè)和高壓側(cè)兩部分組成: 低壓側(cè)為激光器及其驅(qū)動、保護(hù)和溫控電路, 高壓側(cè)電路由光電池和DC-DC 變換器組成。在低壓側(cè), 利用激光器將電能轉(zhuǎn)換成光能, 然后利用光纖將光能傳遞到高壓側(cè)。高壓側(cè)的光電池將光能轉(zhuǎn)換為電能, 經(jīng)過DC-DC 變換后給高壓側(cè)的信號采集系統(tǒng)供電。光源器件的特性決定激光供能方式可以提供的能量。選擇光源的一個(gè)重要因素就是光源的壽命。大功率激光器的

18、壽命都不是很長，一般的大約是5-8年的壽命。這樣的光源用在需要連續(xù)長時(shí)間工作的地方是很不可靠的?；诖?，選擇了美國Photonic公司的PoFLD OWT光源，該產(chǎn)品的壽命可達(dá)到30年以上，不足之處是成本較高。 Photonic公司的光源是一個(gè)激光器和驅(qū)動電路做在一起的光源模塊。它的電源要求是：-5V DC ±5%,2A max，紋波小于50mVp-p。它有一個(gè)16針的IDC插頭，考慮到高壓側(cè)電路的功耗，低壓側(cè)光源要發(fā)出0.5W或0.5W1W可調(diào)的光功率，則光源模塊的控制電路如下圖。由于光源模塊工作溫度在050之間，此溫度范圍對于該裝置的工作場地來說太窄，所以，我們又用半導(dǎo)體制冷片對

19、整個(gè)光源模塊進(jìn)行了溫度控制。光電轉(zhuǎn)換器的選擇，除了壽命因素外，另外一個(gè)重要指標(biāo)就是光電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)美國Photonic公司給出的指標(biāo)，該公司的光電轉(zhuǎn)換器的效率能達(dá)到30-40。所以，光電轉(zhuǎn)換器也選用了美國Photonic公司PPC-6E 型光電池, 輸出6 V,轉(zhuǎn)換效率在30-40%。光電池的工作溫度不能太高, 因?yàn)樗木Ц袢菀资艿礁邷負(fù)p壞而引起器件的失效, 因此光電池需要加散熱裝置工作, 使它的工作溫度不超過125 。而且, PPC 的效率只有40%, 60%的能量需要以熱的形式散失出去。在激光器大電流驅(qū)動下, 光電池有較明顯的熱效應(yīng), 散熱裝置( 如大功率散熱片) 有利于降低光電池溫度,

20、 提高輸出電壓, 從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。光能傳輸過程中的損耗主要由兩部分構(gòu)成: 光纖的衰減損耗和光纖銜接處的插入損耗。以現(xiàn)在的光纖技術(shù), 每公里衰減損耗可以達(dá)到小于0.1 dB11, 插入損耗小于0.2 dB。從低壓側(cè)傳輸來的光能量經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為5V的電源，但是該5V不穩(wěn)定，也沒有-5V電源，故需要經(jīng)高頻率DC/DC轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電源。DC/DC轉(zhuǎn)換器的作用是將光電轉(zhuǎn)換器輸出的電能進(jìn)行穩(wěn)壓，再提供給高壓側(cè)的信號處理電路。所以，選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)考慮的幾項(xiàng)指標(biāo)包括：輸入電壓的范圍大小，轉(zhuǎn)換效率、輸出電壓的紋波系數(shù)，以及輸出電流的大小等。4、信號調(diào)制解調(diào)方式的比較一次傳感器輸出信號通常只有幾十

21、個(gè)毫伏的模擬信號，如果直接傳輸?shù)降蛪簜?cè)，會受到外界惡劣電磁環(huán)境的干擾，因此高壓側(cè)處理電路要把這樣的弱信號調(diào)制后再傳輸?shù)降蛪簜?cè)。根據(jù)傳感頭的采樣方式以及信號調(diào)制方式不同，可分為光強(qiáng)調(diào)制式、頻率調(diào)制式和數(shù)字調(diào)制式三種信號處理方法。（1）光強(qiáng)調(diào)制式信號處理方法結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。待測電流經(jīng)過取樣及放大處理后驅(qū)動高亮LED實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，LED工作在線性區(qū)，其輸出光強(qiáng)和待測電流成比例。LED的輸出信號經(jīng)多模光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)，由光電檢測器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，送往信號處理電路實(shí)現(xiàn)放大、濾波和顯示等功能。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、高速動作的特點(diǎn)。但是由于光纖傳輸?shù)氖悄M信號，溫度和其它噪聲因素對電路的影響比較大。圖6

22、光強(qiáng)調(diào)制式結(jié)構(gòu)圖(2) 頻率調(diào)制式信號處理方法頻率調(diào)制式信號處理方法的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。V/F變換器將輸入的模擬電壓信號線性地變換成頻率值正比于所測模擬電壓的數(shù)字脈沖信號。這一電脈沖信號經(jīng)過電光變換器件(E/0變換)后，變?yōu)楣饷}沖，經(jīng)過光纖傳到地電位側(cè)。地電位側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器件(0/E轉(zhuǎn)換)將光信號還原成為頻率信號。對頻率信號的處理通常有兩種方法：一種是采用脈沖計(jì)數(shù)，在低壓側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)算出傳輸下來頻率的數(shù)值，就可以轉(zhuǎn)換得到高壓側(cè)分流器的輸出電壓數(shù)字量，還有一種方法是直接通過F/V轉(zhuǎn)換及低通濾波得到模擬輸出，然后對該模擬輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到相應(yīng)的數(shù)字輸出。圖7頻率調(diào)制式結(jié)構(gòu)圖頻率調(diào)制式信

23、號處理方法結(jié)構(gòu)簡單，不需要采樣時(shí)鐘脈沖信號、轉(zhuǎn)換命令信號或任何形式的外部邏輯電路，精度較高，抗干擾性能好，適合信號的遠(yuǎn)距離傳輸，不足之處是轉(zhuǎn)換速度較慢，只適用了低頻信號測量。(3 ) 數(shù)字調(diào)制式信號處理方法數(shù)字調(diào)制式結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，采用A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號經(jīng)過電光變換器件(E/0變換)后通過光纖將光信號串行傳輸?shù)降仉娢粋?cè)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號直接輸出，或者再經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，把數(shù)字信號還原成模擬信號。圖8 數(shù)字調(diào)制式結(jié)構(gòu)圖數(shù)字調(diào)制式信號處理方法中的A/D轉(zhuǎn)換芯片有并行和串行兩種。并行A/D輸出的芯片位數(shù)較多，需要較大量的光電隔離器件，組

24、成的線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，實(shí)際應(yīng)用中很少用并行A/D對高壓側(cè)信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。串行A/D輸出只需一根下行光纖，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，在交流光纖電流互感器中也常有應(yīng)用。但是由于A/D轉(zhuǎn)換芯片通常都需要由指令來啟動轉(zhuǎn)換，往往要在高壓側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)CPU小系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性?，F(xiàn)階段實(shí)用化的高壓有源光電互感器高壓側(cè)工作的電路功耗過大，多在200mW左右。一般光電轉(zhuǎn)換的效率較高時(shí)為30%，這就要求光源（半導(dǎo)體激光器）的出纖功率至少達(dá)到600mW以上，而出纖功率在這種數(shù)量級的光源，一般壽命較短，不能滿足電力系統(tǒng)對互感器的壽命要求，同時(shí)其成本非常昂貴，但是功耗的降低意味著傳感器的性能將會隨之降低。在功耗

25、和性能之間必須尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。因此，無論采用哪種信號調(diào)制解調(diào)方式，高壓側(cè)電路的功耗要盡可能的低。電路實(shí)現(xiàn)低功耗，通常有以下三種途徑：1)選用低功耗或微功耗器件；2)在保證基本性能和功能的前提下，從實(shí)現(xiàn)方法上盡量減少所用器件，尤其是較大功率器件；3)采用合適的方法，使器件盡量工作在低功耗狀態(tài)。在光纖電流傳感器的設(shè)計(jì)過程中，圍繞著高壓側(cè)電路低功耗設(shè)計(jì)，我們先后提出了兩種信號調(diào)制解調(diào)方案。第一種方案從直流測量和諧波測量的準(zhǔn)確度要求不同出發(fā)，直流測量采用精度較高、功耗較低的頻率調(diào)制式信號處理方法，諧波測量采用精度略低的光強(qiáng)調(diào)制式信號處理方法。第二種方案考慮到隨著技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)部集成A/D器件的單

26、片機(jī)具有微型化、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便的特點(diǎn)，在高壓側(cè)引入Flash型超低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)信號調(diào)制功能。八、試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)結(jié)果（1）直流電流測量準(zhǔn)確度測試在華中科技大學(xué)320kA直流大電流實(shí)驗(yàn)室，對直流傳感器性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)原理圖及測試數(shù)據(jù)分別如圖9所示，主要測試設(shè)備及其參數(shù)為：0.01級零磁通比較儀（6000A/1V），0.01級ZX54性開關(guān)式精密電流電阻箱，7位半Solartron Schlumberger 7071電壓表。圖9 準(zhǔn)確度測試試驗(yàn)原理圖當(dāng)母線直流大電流從300A升到6000A，準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)如下圖所示：試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，頻率調(diào)制式直流傳感器在10200額

27、定電流范圍內(nèi)，相對誤差都小于0.5，因此滿足0.5級準(zhǔn)確度性能要求。在武漢高壓研究所國家高電壓計(jì)量站試驗(yàn)，我們重復(fù)了該準(zhǔn)確度試驗(yàn)，主要測試設(shè)備及其參數(shù)為：0.001級ZLB1A直流電流比較標(biāo)準(zhǔn)，0.002級直流標(biāo)準(zhǔn)電阻器，0.01級ZX54性開關(guān)式精密電流電阻箱，8位半Keithley 2002多功能表。試驗(yàn)原理圖如圖10所示。圖10準(zhǔn)確度測試試驗(yàn)原理圖因設(shè)備老化，現(xiàn)場母線電流只從300A升到了3000A，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，武漢高壓研究所國家高電壓計(jì)量站出具的試驗(yàn)報(bào)告見附錄2。表1和表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于頻率調(diào)制式的直流傳感器在10100額定電流范圍內(nèi)，相對誤差小于0.15，在10200額定電流

28、范圍內(nèi)，相對誤差小于0.5，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)要求。（2）諧波電流測量準(zhǔn)確度測試用升流器提供50Hz交流信號，以空芯線圈為傳感單元對諧波電流測量系統(tǒng)的線性度進(jìn)行測試，其中，升流器電流大小變化范圍為0167A，測試數(shù)據(jù)見圖10，從圖可知，0167A電流范圍內(nèi)，相對誤差小于0.3。50Hz諧波測量系統(tǒng)線性度測試由于武高所、中試所都沒有多次諧波電流發(fā)生裝置，只好以EE1411型合成函數(shù)信號發(fā)生器為信號源進(jìn)行其他諧波成分的準(zhǔn)確度測試。在實(shí)際運(yùn)用中，高壓側(cè)積分器與空芯線圈是配合在一起使用的，積分器的積分環(huán)節(jié)與空芯線圈的微分環(huán)節(jié)相配合，使得積分器與空芯線圈組合在一起的頻帶范圍很寬。若在這里的線性度實(shí)驗(yàn)中僅使用積分器，將使整個(gè)系統(tǒng)的頻帶范圍非常窄，故在實(shí)際的線性度測試實(shí)驗(yàn)電路中，EE1411型合成函數(shù)信號發(fā)生器提