CN108320893A - 一种偏置型的光纤传输高压电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏置型的光纤传输高压电流互感器，实现高压电路电线电流的实时监测。该电流互感器通过导线两端的抽头串联入待测电路中，磁环线圈CT1产生的感应电流作为能量，给激光偏置电路提供了一个稳定可靠的偏置电源，即激光发射管提供一个基础偏置电流；磁环线圈CT2提供测量得到的电流信号，通过耦合电容将电流信号加载在激光偏置电路上；激光发射管发出的激光的光强与回路电流成正比，激光沿着光纤将信号转给激光接收管，由电流电压转换电路将电流信号转换成电压信号，经过滤波电路后，将采集到的电压信号传给AD转换电路进行模拟量到数字量的转换，由MCU对这些数据进行存储运算等操作后，通过以太网通讯模块将数据送给上位机。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电流互感器，尤其涉及一种偏置型的光纤传输高压电流的高压电流互感器。
背景技术
高压电流互感器是将电网中的高压信号变换传递为低压小电流信号，为电力系统的计量、监控、继电保护、自动装置等提供统一、规范的电流信号的装置，同时也是满足电气隔离，确保人身和电器安全的重要设备。电磁式电流互感器是通过电磁感应原理实现电流变换，它具有稳定性、可靠性强的优点，但其二次绕组需要接地，为了满足绝缘要求，所需要的铁芯与绝缘子体积较大且重量重，成本较高，而且具有非数字化模拟量信号容易受干扰等缺点。
发明内容
本发明的目的：提出一种新型的偏置型的光纤传输高压电流互感器装置，该装置采用光纤传输技术，电压偏置技术实现高压电流的准确测量，解决电磁式电流互感器体积大、重量重，成本高，易受干扰等缺点，实现以太网数字信号输出的高压电流互感器。
为实现本发明的目的，技术方案为：
该电流互感器通过导线抽头串联入磁环线圈CT1与磁环线圈CT2中。磁环线圈CT2与激光偏置电路相连。MOS管整流滤波电路的输出的直流电压传入DC-DC电路。DC-DC电路输出可靠稳定的直流电压给激光偏置电路。利用磁环线圈CT1产生的感应电流作为能量，经过整流滤波和稳压后为激光发射管D1提供一个稳定的直流基础偏置电流，将磁环线圈CT2感应得到的交流电流信号将耦合到激光发射管D1的直流基础偏置电流上其中磁环线圈CT1与MOS管整流滤波电路相连。激光发射管D1发射的激光由光纤，经过空心绝缘子，传输到激光接收管D2上。激光接收管D2接收到光纤内激光信后，将光信号转换成一定的电流信号，传输给电路转电压电路。电流转电压电路再将收到的电流信号转换成电压信号，传给AD转换电路。AD转换电路将模拟量转换成数字量后传给MCU。MCU通过运算处理后，通过以太网通讯模块，将测量数据传送给上位机。
本发明公开了一种偏置型的光纤传输高压电流互感器，包括两个磁环线圈、导线、MOS管整流滤波电路、DC-DC稳压电路、激光偏置电路、光纤、测量信号接收处理电路、AD转换电路、开关电源、MCU、以太网通讯模块、上位机。整体电路采用无源设计，通过一个磁环线圈产生的能量给激光偏置电路提供可靠稳定的偏置电源。在高压侧和低压侧采用光隔离，提高了装置的安全性。在低压侧对接收到的测量信号进行转换、滤波，最大限度的减小信号的失真。处理后的测量数据，由MCU运算处理后，通过以太网通讯模块，由以太网络传输给联网的上位机。与现有的高压电流互感器相比，减小了装置体积，降低了自身功耗，提高了安全性，并且通过网络可以实现实时监测的效果。
1.无源设计。利用了一个磁环线圈产生的感应电流作为能量，经过整流、滤波、稳压后给激光偏置电路提供了一个稳定可靠的偏置电源，即激光发射管提供一个基础偏置电流；另一个磁环线圈提供测量得到的电流信号，通过耦合电容将电流信号加载在激光偏置电路上。
2.采用MOS管整流桥结构能降低整流电路的导通电阻与导通压降，从而降低能量损耗。
3.通过光纤传输信号。高压侧与低压侧没有直接的电路的连接，而是通过光纤中的光来传输信号，即实现了光隔离，使得装置的绝缘性能得到提升，抗电磁干扰性能强，安全性更高。
4.测量信号处理电路的设计。该电路用于处理激光接收管接收到的测量信号，通过电流转电压电路和滤波电路，最大限度的还原测量电流信号，保证了测量电流信号的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种偏置型的光纤传输高压电流互感器的结构示意图。
图2为本发明一种偏置型的光纤传输高压电流互感器的硬件电路简图。
1、15：防水箱；2：MOS管整流滤波电路；3：DC-DC稳压电路；4、5：磁环线圈；6：空心绝缘子；7：光纤；8：电流转电压电路；9：滤波电路；10：AD转换电路；11：MCU；12：以太网通讯模块；13：上位机；14：开关电源；16：导线；17：激光偏置电路。
具体实施方案：
一种偏置型的光纤传输高压电流互感器，如图1所示，包括防水箱(1)和(15)、MOS管整流滤波电路(2)、DC-DC电路(3)、磁环线圈CT1(4)、磁环线圈CT2(5)、空心绝缘子(6)、光纤(7)、电流转电压电路(8)、滤波电路(9)、AD转换电路(10)、MCU(11)、以太网通讯模块(12)、上位机(13)、开关电源(14)、激光偏置电路(17)、测量信号接收处理电路(19)、激光发射管D1、激光接收管D2。磁环线圈CT1(4)一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接。磁环线圈CT2(5)的一端与激光偏置电路(17)的B点相连，另一端接AGND。MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚与DC-DC电路(3)的Vin脚连接，MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚接AGND。DC-DC电路(3)的VDC脚与激光偏置电路(17)的VDC脚连接，DC-DC电路(3)的AGND脚接AGND。激光发射管D1发射的激光由光纤(7)，经过空心绝缘子(6)传输到激光接收管D2上。开关电源(14)的VCC脚输出正电压VCC，VEE脚输出负电压VEE，GND脚接GND。激光接收管D2的负极接正电压VCC，激光接收管D2的正极与电流转电压电路(8)的In脚连接。电流转电压电路(8)的Out脚与滤波电路(9)的In脚连接。滤波电路(9)的Out脚与AD转换电路(10)的In端连接。AD转换电路(10)的Out端与MCU(11)的连接。MCU(11)与以太网通讯模块(12)通讯。以太网通讯模块(12)通过以太网络与上位机(13)通讯。
该电流互感器通过导线(16)的抽头串联接入待测电路中。当有电流通过导线(16)时，磁环线圈CT1(4)和磁环线圈CT2(5)上的缠绕的螺旋线圈会产生感应电流，磁环线圈CT1(4)产生的感应电流传输给MOS管整流滤波电路，磁环线圈CT2(5)产生的感应电流通过电阻R9转成电压值后传输给激光偏置电路(17)进行偏置，偏置后的信号通过激光发射管D1和光纤(7)传入激光接收管D2，激光接收管D2将信号传入电流转电压电路(8)、经过滤波电路(9)处理后通过AD转换电路转换成数字信号后，经MCU(11)运算、处理、拟合，通过以太网通讯模块(12)将数据传输给上位机(13)。
如图2所示，采用MOS管整流桥结构能降低整流电路的导通电阻与导通压降，从而降低能量损耗。MOS管整流滤波电路包括NMOS管N1、N2，PMOS管P1、P2，电阻R1，滤波电容C3，电容C1，电容C2。电阻R1的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接。NMOS管N1的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接。NOMS管N2的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接。所述的PMOS管P1的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2连接。PMOS管P2的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)Vin1连接。滤波电容C3的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接。电容C1的一端与MOS管整流滤波电路(2)Vin2脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接。电容C2的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接。工作原理：电阻R1将交流电流转换成交流电压后传输给MOS管整流桥，整流桥由NMOS管N1、N2，PMOS管P1、P2构成，当交流电流为正半周期时，N2、P1导通，当交流电流为负半周期时，N1、P2导通。整流桥输出的直流电压经滤波电容C3滤波后输出给DC-DC稳压电路(3)。DC-DC稳压电路(3)输出稳定的直流电压为激光偏置电路(17)提供偏置电源。
如图2所示，激光偏置电路(17)包括：电阻R2，电阻R3，电阻R9，电容C4，激光发射管D1。电阻R2一端与激光偏置电路(17)的VDC脚连接，另一端与激光偏置电路(17)的A点连接。电阻R3一端与激光偏置电路(17)的A点连接，另一端与激光发射管D1的正极连接。电阻R9一端与激光偏置电路(17)的B点连接，另一端接AGND。所述的电容C4一端与激光偏置电路(17)的B点连接，另一端与激光偏置电路(17)的A点连接。激光发射管D1的负极接AGND。工作原理：激光发射管D1上的电压值就是激光偏置电路(17)的VDC脚输入的偏置电压和耦合电容C4上的耦合电压之和，经限流电阻R3限流后，传入激光发射管D1转换成一定光强的光信号，由光纤(7)传入激光接收管D2。
如图2所示，测量信号接收处理电路包括激光接收管D2，电流转电压电路(8)，滤波电路(9)。激光接收管D2连接光纤(7)接收激光信号，激光接收管D2的负极管接正电压VCC，正极与电流转电压电路(8)的In脚连接。电路转电压电路(8)包括运放A1，电阻R4，电阻R5。电阻R4一端与电流转电压电路(8)的In脚连接，另一端与电流转电压电路(8)的运放A1的3脚连接。电阻R5一端与运放A1的3脚连接，另一端与运放A1的6脚连接。运放A1的2脚接GND，4脚接负电压VEE，6脚接电流转电压电路(8)的Out脚，7脚接正电压VCC。滤波电路(9)包括运放A2，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电容C5。电阻R6一端接滤波电路(9)的In脚，另一端接运放A2的3脚。电阻R7的一端接运放A2的2脚，另一端接GND。电阻R8一端接运放A2的3脚，另一端接运放A2的6脚。电容C5一端接运放A2的3脚，另一端接运放A2的6脚。运放A2的4脚接负电压VEE，6脚接滤波电路(9)的Out脚，7脚接正电压VCC。工作原理：激光发射管D2接收到的光信号被转换成一定大小电流信号，信号经电流转电压电路(8)转成电压信号传入滤波电路(9)，滤波电路(9)是一个低通滤波电路，经过滤波器后的信号经过AD采样，MCU软件处理，通过通讯接口与以太网接口相连，提供给上位机一个数字化的电流输出波形信号。
Claims (5)
1.一种偏置型的光纤传输高压电流互感器，其特征在于包括防水箱(1)和(15)、MOS管整流滤波电路(2)、DC-DC电路(3)、磁环线圈CT1(4)、磁环线圈CT2(5)、空心绝缘子(6)、光纤(7)、电流转电压电路(8)、滤波电路(9)、AD转换电路(10)、MCU(11)、以太网通讯模块(12)、上位机(13)、开关电源(14)、导线(16)、激光偏置电路(17)、激光发射管D1、激光接收管D2，所述的MOS管整流滤波电路(2)、DC-DC电路(3)、磁环线圈CT1(4)、磁环线圈CT2(5)、导线(16)、激光偏置电路(17)、激光发射管D1放置在防水箱(1)内，所述的导线(16)贯穿磁环线圈CT1(4)和磁环线圈CT2(5)，所述的磁环线圈CT1(4)一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，所述的磁环线圈CT2(5)的一端与激光偏置电路(17)的B端相连，另一端接AGND，所述的MOS管整流滤波电路(2)的输出Vout脚与DC-DC电路(3)的输入Vin脚连接，其AGND脚接AGND，所述的DC-DC电路(3)的输出VDC与激光偏置电路(17)的VDC脚连接，其AGND脚接AGND，所述的激光发射管D1正极与激光偏置电路(17)的C端相连，其负极与AGND相连，其发射的激光由光纤(7)，经过空心绝缘子(6)传输到激光接收管D2上，所述的电流转电压电路(8)、滤波电路(9)、AD转换电路(10)、MCU(11)、以太网通讯模块(12)、开关电源(14)均置于防水箱(15)内，所述的开关电源(14)的VCC脚输出正电压VCC，VEE脚输出负电压VEE，GND脚接GND，为电流转电压电路(8)、滤波电路(9)、AD转换电路(10)、MCU(11)、以太网通讯模块(12)提供工作电源，所述的激光接收管D2的负极接正电压VCC，正极与电流转电压电路(8)的In脚连接，所述的电流转电压电路(8)的Out脚与滤波电路(9)的In脚连接，所述的滤波电路(9)的Out脚与AD转换电路(10)的In端连接，所述的AD转换电路(10)的输出Out与MCU(11)的连接，所述的MCU(11)与以太网通讯模块(12)通讯，所述的以太网通讯模块(12)通过以太网络与上位机(13)通讯。
2.根据权利要求1所述偏置型的光纤传输高压电流互感器，其特征在于利用磁环线圈CT1(4)产生的感应电流作为能量，经过整流滤波和稳压后为激光发射管D1提供一个稳定的直流基础偏置电流，将磁环线圈CT2(5)感应得到的交流电流信号将耦合到激光发射管D1的直流基础偏置电流上。
3.根据权利要求1所描述的偏置型的光纤传输高压电流互感器，其特征在于所述的MOS管整流滤波电路(2)包括：NMOS管N1、N2，PMOS管P1、P2，电阻R1，滤波电容C3，电容C1，电容C2；所述的电阻R1的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接；所述的NMOS管N1的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接；所述的NOMS管N2的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1脚连接，所述的PMOS管P1的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin1连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2连接；所述的PMOS管P2的漏极与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，源极与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，栅极与MOS管整流滤波电路(2)Vin1连接，所述的滤波电容C3的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vout脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，所述的电容C1的一端与MOS管整流滤波电路(2)Vin2脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接，所述的电容C2的一端与MOS管整流滤波电路(2)的Vin2脚连接，另一端与MOS管整流滤波电路(2)的AGND脚连接。
4.根据权利要求1所述偏置型的光纤传输高压电流互感器，其特征在于所述激光偏置电路(17)包括：电阻R2，电阻R3，电阻R9，电容C4，所述的电阻R2一端与激光偏置电路(17)的VDC脚连接，另一端与激光偏置电路(17)的A点连接，所述的电阻R3一端与激光偏置电路(17)的A点连接，另一端C与激光发射管D1的正极连接，所述的电阻R9一端与激光偏置电路(17)的B点连接，另一端接AGND，所述的电容C4一端与激光偏置电路(17)的B点连接，另一端与激光偏置电路(17)的A点连接。
5.根据权利要求1所述偏置型的光纤传输高压电流互感器，其特征在于所述的激光接收管D2连接光纤(7)接收激光信号，激光接收管D2的负极管接正电压VCC，正极与电流转电压电路(8)的In脚连接，所述的电流转电压电路(8)包括运放A1，电阻R4，电阻R5，所述的电阻R4一端与电流转电压电路(8)的In脚连接，另一端与电流转电压电路(8)的运放A1的3脚连接，所述的电阻R5一端与运放A1的3脚连接，另一端与运放A1的6脚连接，所述的运放A1的2脚接GND，4脚接负电压VEE，6脚接电流转电压电路(8)的Out脚，7脚接正电压VCC，所述的滤波电路(9)包括运放A2，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电容C5，所述的电阻R6一端接滤波电路(9)的In脚，另一端接运放A2的3脚，所述的电阻R7的一端接运放A2的2脚，另一端接GND，所述的电阻R8一端接运放A2的3脚，另一端接运放A2的6脚，所述的电容C5一端接运放A2的3脚，另一端接运放A2的6脚，所述的运放A2的4脚接负电压VEE，6脚接滤波电路(9)的Out脚，7脚接正电压VCC。
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