專利名稱：一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號測量領(lǐng)域，尤其涉及的是一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著高電壓技術(shù)的發(fā)展，脈沖電流信號測量技術(shù)日益受到人們的重視。檢測電力設(shè)備局部放電信號，確定脈沖電流下絕緣介質(zhì)的擊穿特性，研究絕緣材料電暈特性等都需要對脈沖電流信號進行準確測量和無畸變傳輸。目前，普遍采用的電流信號測量系統(tǒng)主要由電流互感器(CT)、信號傳輸電纜和終端設(shè)備構(gòu)成。由于傳統(tǒng)電流互感器受磁飽和、渦流效應(yīng)、銅耗、磁滯損耗等問題的影響，以及信號電纜頻帶限制、絕緣強度低和抗干擾能力差的缺點，使得傳統(tǒng)電流信號測量系統(tǒng)無法應(yīng)用于高電位脈沖電流信號的準確測量。洛氏(Rogowski)線圈作為一種電流傳感器已被廣泛應(yīng)用于脈沖大電流測量系統(tǒng)中，對于納秒級微小電流信號測量，Rogowski線圈也具有很大的優(yōu)勢。光纖的出現(xiàn)使得信號傳輸路徑更加多樣化。首先，光纖傳輸可使測量系統(tǒng)的高低壓終端實現(xiàn)電氣隔離。其次， Im長光纖的交流閃絡(luò)電壓大于lOOkV，所以可以用光纖隔離很高的點位。隨著光纖的普遍使用，基于法拉第磁致旋光效應(yīng)原理研制的全光纖型電流測量系統(tǒng)在一些特殊領(lǐng)域得到應(yīng)用，然而其穩(wěn)定性和測量精度難以得到保證，其次，該測量系統(tǒng)昂貴的造價限制限制了自身發(fā)展。為了實現(xiàn)高電位下脈沖微小電流的準確測量和無畸變傳輸，必須采用其他的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的電流測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度難以得到保證的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其包括感應(yīng)線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側(cè)的前置放大電路和驅(qū)動電路；光纖和低壓側(cè)的光信號接收與轉(zhuǎn)換電路，所述感應(yīng)線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅(qū)動電路、光纖和光信號接收與轉(zhuǎn)換電路依次連接。所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述感應(yīng)線圈采用高頻洛氏線圈。所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述前置放大電路包括第一電阻、第二電阻、開關(guān)和第一高速大電流運算放大器，所述第一電阻和第二電阻串聯(lián)連接，第一電阻連接洛氏線圈的輸出端，第二電阻接地；所述開關(guān)為一單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)的第一活動端連接洛氏線圈的輸出端，第二活動端連接到第一電阻和第二電阻的連接點；第一高速大電流運算放大器的正向輸入端連接開關(guān)的固定端；第一高速大電流運算放大器的反向輸入端與輸出端連接形成反饋回路。
所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動電路包括第二高速大電流運算放大器、第三電阻、第四電阻和穩(wěn)壓器，第三電阻一端連接前置放大電路的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器的正向輸入端；穩(wěn)壓器通過第四電阻連接在第二高速大電流運算放大器的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器的輸出端；第二高速大電流運算放大器的輸出端連接發(fā)射頭。
所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射頭采用集成光纖發(fā)射頭，采用的型號為HFBR-1414。所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述第一高速大電流運算放大器和第二高速大電流運算放大器的型號均為0PA690。所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述前置放大電路中的第一電阻和第二電阻的阻值之和為50 Ω。所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其中，所述光信號接收與轉(zhuǎn)換電路采用與高壓側(cè)光纖發(fā)射端相匹配的光纖接收器，其型號為HFBR-M16TZ，且該光纖接收器內(nèi)部集成了一個PIN型光電二級管和將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號的電路。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明通過使用高頻帶的Rogowski線圈測量脈沖電流信號； 用高速大電流放大器0ΡΑ690代替?zhèn)鹘y(tǒng)放大器，采用電壓信號驅(qū)動和集成光纖發(fā)射頭，研制出一套混合式光電電流測量系統(tǒng)，可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小于 0. 1%。本發(fā)明中所需器件可在電子市場購得，與普遍的數(shù)字傳輸方式相比較，成本低廉。


圖1是本發(fā)明中電流測量系統(tǒng)的高壓側(cè)前置放大電路圖。圖2是前置放大電路的方波響應(yīng)結(jié)果圖。圖3是高壓側(cè)驅(qū)動電路。圖4是高壓側(cè)驅(qū)動電路的方波響應(yīng)結(jié)果圖。圖5是光纖傳輸模塊電路圖。圖6a和圖6b是光纖傳輸模塊的幅頻和相頻響應(yīng)特性曲線。圖7是光信號接收與轉(zhuǎn)換電路圖。圖fe和圖8b是測量系統(tǒng)方波和脈沖響應(yīng)特性曲線。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為以下兩個部分感應(yīng)線圈和光纖傳輸模塊。其中，所述感應(yīng)線圈采用高頻Rogowski線圈；光纖傳輸模塊分為高壓側(cè)、 光纖和低壓側(cè)，其高壓側(cè)有前置放大電路和驅(qū)動電路。高頻Rogowski線圈作為系統(tǒng)的傳感頭，感應(yīng)得到的電壓信號經(jīng)過放大電路放大作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，使得光纖發(fā)射端動作，通過光纖將信號傳輸?shù)焦饫w接收端，進而到測量終端。參見圖1，所述前置放大電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、開關(guān)Sl和第一高速大電流運算放大器A，其型號為0PA690，所述第一電阻Rl和第二電阻R2串聯(lián)連接，第一電阻 Rl連接Rogowski線圈的輸出端，第二電阻R2接地；開關(guān)Sl為一單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)Sl的第一活動端連接Rogowski線圈的輸出端，第二活動端連接第一電阻Rl和第二電阻R2的連接點；第一高速大電流運算放大器A的正向輸入端連接開關(guān)Sl的固定端；第一高速大電流運算放大器A的反向輸入端連接輸出端形成反饋回路，其采用士5V的電壓供電。位于高壓側(cè)的前置放大電路中采用高速大電流運算放大器0PA690代替?zhèn)鹘y(tǒng)放大器，穩(wěn)定的增益和約500MHz的帶寬提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)性能。為了實現(xiàn)電纜終端匹配條件，電路中的R1+R2 = 50Ω。圖2是前置放大電路方波響應(yīng)結(jié)果圖。圖2中，通道1為原始輸入信號，通道2為放大電路方波響應(yīng)信號。可以看出，原始信號經(jīng)前置放大電路后，仍保持原信號波形，沒有波形畸變。輸出信號有一延時。參見圖3，所述驅(qū)動電路包括第二高速大電流運算放大器B、第三電阻R3、第四電阻R4和型號為REF5030穩(wěn)壓器，第三電阻R3 —端連接前置放大電路的輸出端即連接第一高速大電流運算放大器A的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器B的正向輸入端；穩(wěn)壓器REF5030通過第四電阻R4也連接在第二高速大電流運算放大器B的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器B的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器B的輸出端。第二高速大電流運算放大器B的輸出端連接發(fā)射頭，所述發(fā)射頭采用集成光纖發(fā)射頭，可以直接傳輸模擬信號，省去模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，降低了成本。本實施例中采用的型號為 HFBR-1414。所述穩(wěn)壓器的工作電壓為+5V，放大器的工作電壓為士5V。圖4為驅(qū)動電路的方波信號，高壓側(cè)完整的電路圖如圖5所示。圖6a和圖6b是光纖傳輸模塊的幅頻和相頻響應(yīng)特性曲線，按照IEC標準和相關(guān)國家標準，幅頻和相頻響應(yīng)3dB帶寬為22MHz。所述低壓側(cè)包括光信號接收與轉(zhuǎn)換電路，參見圖7，所述光信號接收與轉(zhuǎn)換電路采用與高壓側(cè)光纖發(fā)射端相匹配的光纖接收器HFBR-M16TZ，并且該器件內(nèi)部集成了一個 PIN型光電二級管和將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號的電路，整個低壓側(cè)電路非常簡單。參見圖8a和圖8b，本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)方波和脈沖響應(yīng)特性曲線?？梢钥闯?，整個測量系統(tǒng)在方波及方波脈沖下響應(yīng)曲線的上升時間約20ns，可以用于測量納秒脈沖電流信號。經(jīng)研究，所選用的高速大電流放大器0PA690能夠有效的提高整個測量系統(tǒng)的頻帶寬度，從而滿足對脈沖電流的準確測量。由于光纖的電氣隔離特點，本發(fā)明攻破了高電位下微小電流測量時強電場擊穿和強電磁場干擾的技術(shù)難關(guān)。本發(fā)明通過使用高頻帶的Rogowski線圈測量脈沖電流信號；用高速大電流放大器0PA690代替?zhèn)鹘y(tǒng)放大器，采用電壓信號驅(qū)動和集成光纖發(fā)射頭，研制出一套混合式光電電流測量系統(tǒng)，可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小于0. 1%。本發(fā)明中所需器件可在電子市場購得，與普遍的數(shù)字傳輸方式相比較，成本低廉。應(yīng)當理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，包括感應(yīng)線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側(cè)的前置放大電路和驅(qū)動電路；光纖和低壓側(cè)的光信號接收與轉(zhuǎn)換電路，所述感應(yīng)線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅(qū)動電路、光纖和光信號接收與轉(zhuǎn)換電路依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述感應(yīng)線圈采用高頻洛氏線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述前置放大電路包括第一電阻、第二電阻、開關(guān)和第一高速大電流運算放大器，所述第一電阻和第二電阻串聯(lián)連接，第一電阻連接洛氏線圈的輸出端，第二電阻接地；所述開關(guān)為一單刀雙擲開關(guān)，開關(guān)的第一活動端連接洛氏線圈的輸出端，第二活動端連接到第一電阻和第二電阻的連接點；第一高速大電流運算放大器的正向輸入端連接開關(guān)的固定端；第一高速大電流運算放大器的反向輸入端與輸出端連接形成反饋回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動電路包括第二高速大電流運算放大器、第三電阻、第四電阻和穩(wěn)壓器，第三電阻一端連接前置放大電路的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器的正向輸入端；穩(wěn)壓器通過第四電阻連接在第二高速大電流運算放大器的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器的輸出端；第二高速大電流運算放大器的輸出端連接發(fā)射頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射頭采用集成光纖發(fā)射頭，采用的型號為HFBR-1414。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一高速大電流運算放大器和第二高速大電流運算放大器的型號均為0PA690。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述前置放大電路中的第一電阻和第二電阻的阻值之和為50 Ω。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光信號接收與轉(zhuǎn)換電路采用與高壓側(cè)光纖發(fā)射端相匹配的光纖接收器，其型號為HFBR-M16TZ，且該光纖接收器內(nèi)部集成了一個PIN型光電二級管和將光信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號的電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合式光電脈沖電流測量系統(tǒng)，其包括感應(yīng)線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側(cè)的前置放大電路和驅(qū)動電路；光纖和低壓側(cè)的光信號接收與轉(zhuǎn)換電路，所述感應(yīng)線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅(qū)動電路、光纖和光信號接收與轉(zhuǎn)換電路依次連接。采用本發(fā)明可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小于0.1％，本發(fā)明中所需器件與普遍的數(shù)字傳輸方式相比較，成本低廉。
文檔編號G01R15/00GK102539885SQ20111046112
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉紅太, 葉建鑄, 周巖, 左干清, 毛熊, 牛崢, 王頌, 盛康, 謝超 申請人:中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司