【導(dǎo)讀】商業(yè)的用電需求。電力系統(tǒng)輸電容量的不斷擴(kuò)大，遠(yuǎn)距離輸電迅速增加，電網(wǎng)等級(jí)的不斷提。為了使變電站自動(dòng)化的技術(shù)進(jìn)一步改善，互感器不斷的改良更新，使二次系統(tǒng)起到更精。確的測(cè)量和監(jiān)控作用。料作為傳感器，無(wú)飽和，無(wú)諧振，克服了傳統(tǒng)互感器先天不足的缺陷?；ジ衅髯鳛楸疚牡难芯繉?duì)象。通過(guò)初步電路設(shè)計(jì)，原理分析，參數(shù)計(jì)算，確定阻容式分壓式。和等一系列優(yōu)點(diǎn)。然后通過(guò)有源光學(xué)電壓傳感器設(shè)計(jì)，使其滿足電力系統(tǒng)測(cè)控和繼電保護(hù)對(duì)。電壓信號(hào)的取樣要求。去耦電容等方法，使其電磁兼容措施得到完善，讓系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步的保證和提高。

　　

【正文】 積分器是對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)積分，可以在很寬頻率范圍內(nèi)保證信號(hào)的積分效果。常見(jiàn)的模擬積分器有無(wú)源 RC 型積分器和有源積分器 [15]。其示意圖見(jiàn)圖 4－ 4和圖 4－ 5。 R C V i V o A R C V i V o 圖 4－ 4 無(wú)源 RC積分器 圖 4－ 5 有源積分器 數(shù)字積分器需要解決高速 A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)字積分的算法問(wèn)題，必須使這個(gè)過(guò)程盡量短才能達(dá)到快速采樣積分的目的，對(duì)于信號(hào)處理芯片的要求較高；用模擬積分器加高速 A/D 29 的方法的關(guān)鍵在于模擬積分器時(shí)間常數(shù)的選擇，該時(shí)間常數(shù)直接關(guān)系到 A/D 轉(zhuǎn)換的精度及可信度 [17]，另外，模擬積分器本身的 性能如溫度漂移、時(shí)間漂移等也是必須解決的問(wèn)題 ，所以暫定使用模擬積分器。 由于模擬積分器中的運(yùn)算放大器固有的失調(diào)電流、失調(diào)電壓、偏置電流及溫度漂移等參數(shù)的影響，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出電壓不為零，即存在“漂移”現(xiàn)象。只要這種失調(diào)和溫漂存在，不論它多么小，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，都將使積分器的輸出達(dá)到飽和，使其無(wú)法正常工作。 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決，一般采取下列措施 :選用失調(diào)及溫漂小的運(yùn)算放大器；適當(dāng)加大積分電容Ｃ，以減少對(duì)失調(diào)和溫漂進(jìn)行積分的速度；采用對(duì)稱差動(dòng)放大電路以減少失調(diào)參數(shù)的影響；在積分運(yùn)算開(kāi)始之前或者在運(yùn)算過(guò)程的 間隙里，通過(guò)調(diào)零將已有的積分漂移補(bǔ)償?shù)簟Ｉ鲜龃胧┯械氖艿綏l件的限制有的則引入新的誤差，降低前級(jí)信號(hào)源的負(fù)載能力，從而給調(diào)試和使用帶來(lái)極大的麻煩，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間工作的積分器而言，問(wèn)題更加嚴(yán)重。正基于此，我們需要一種既簡(jiǎn)單而又行之有效的方法，采用了如圖 4－ 6 的近似積分電路替代積分電路 。 圖 4－ 6 近似模擬積分環(huán)器原理圖 理論分析和計(jì)算表明，這種積分電路能有效解決積分漂移問(wèn)題。在合理選擇電路參數(shù)的情況下，可以將穩(wěn)態(tài)積分誤差控制在 %以內(nèi)；同時(shí)，對(duì)于暫態(tài)過(guò)程的響應(yīng)也能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需要的范圍。 電容 C1消除了前級(jí)的各種直流分量的影響，反饋電阻 R2 的存在為緩慢變化的積分漂移電壓構(gòu)成了反饋通路，因此，能夠有效地抑制積分漂移。由以上分析，近似積分環(huán)節(jié)對(duì)積分漂移的抑制十分明顯，它能使工作點(diǎn)穩(wěn)定，給調(diào)試和使用帶來(lái)極大的方便；在合理選擇電路參數(shù)的前提下，可使近似積分的誤差完全滿足設(shè)計(jì)要求。 30 模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 在得到了能夠反映被測(cè)量的模擬信號(hào)后，為了實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸和后續(xù)的信號(hào)處理，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量就成為一個(gè)必須和重要的環(huán)節(jié)。目前實(shí)現(xiàn) 模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法可以分為兩類：電壓頻率變換 (VFC)和直接 AD 轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 由于用 VFC 轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的采樣，會(huì)遺失一些頻率分量，沒(méi)有可用的手段去解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于保護(hù)而言，由于對(duì)傳感精度的要求不是特別高，對(duì)于諧波干擾不是很嚴(yán)重的場(chǎng)合，或者是諧波成分比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，可以使用這種輸出信號(hào)作為保護(hù)的參數(shù)輸入使用，另外，該輸出信號(hào)也可用于特殊目的的保護(hù)，如某次諧波分量的保護(hù)；但對(duì)于測(cè)量而言，若高次倍頻分量的含量不是很大，可能能夠滿足測(cè)量要求，但畢竟不是很可靠。 模擬積分器后 ADC 采樣方法則不存在這些問(wèn)題 。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中我們采用了經(jīng)模擬積分后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)處理方案 A/D 轉(zhuǎn)換芯片選擇 MAXIM 公司的 16 位串行輸出轉(zhuǎn)換器 MAX195。這種 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)在于其 具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高、功耗低以及 10 微安關(guān)閉模式等。轉(zhuǎn)換器內(nèi)置校準(zhǔn)電路修改線性度和補(bǔ)償誤差，可以保證在不需要外部調(diào)整的情況下實(shí)現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的高性能運(yùn)行；另外，外圍控制電路引腳可以滿足各種轉(zhuǎn)換方式和控制的需要。 利用 MAX195 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換的高壓側(cè)信號(hào)處理原理性方框圖如圖 4－ 5。 為保證高壓側(cè)的 A/D 轉(zhuǎn)換信號(hào)能 夠準(zhǔn)確地被低壓側(cè)接收電路識(shí)別， A/D 轉(zhuǎn)換不能連續(xù)不間斷的進(jìn)行，必須在每個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)之間有一定的空閑位區(qū)分各個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)。實(shí)際處理是每 32個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次，并在每個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)的起始處通過(guò)對(duì) A/D轉(zhuǎn)換芯片 MAX195的控制腳的合理應(yīng)用，增加若干個(gè)識(shí)別位實(shí)現(xiàn)信號(hào)辨識(shí)的。其原理性方框圖如圖 4－ 6。 9 7 8,3,14,6 1 13 MAX 5 12,15,16,11,4 10 2 積分器 光電轉(zhuǎn)換 各種接地 芯片微功耗工作方式轉(zhuǎn)換控制引腳 經(jīng)光纖送低壓側(cè) CLK：通過(guò)晶振電路獲得 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)。 RESET：上電自動(dòng)復(fù)位，完成 A/D 轉(zhuǎn)換器的標(biāo)定。 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC：用于傳輸數(shù)據(jù)傳送同步時(shí)鐘信號(hào)至低壓側(cè)時(shí)的控制信號(hào)處理。 轉(zhuǎn)換允許信號(hào) CONV：通過(guò)時(shí)鐘分頻電路獲取。 圖 4－ 5 高壓側(cè)信號(hào)處理電路原理性方框圖 濾波器 傳感器輸入 31 光電轉(zhuǎn)換電路 得到電量的數(shù)字值后，就要進(jìn)行數(shù)字電量到光的轉(zhuǎn)換，并用光纖將光脈沖送到低壓端。光纖傳輸系統(tǒng)具有兩個(gè)重要作用，一是作為高低電壓之間的電絕緣介質(zhì)，二是實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)向低壓側(cè)的高速傳送 。由于光纖具有良好的絕緣性能，所以使用光纖作為高、低端之間的數(shù)據(jù)通道可以節(jié)省復(fù)雜的絕緣設(shè)施。電壓等級(jí)越高，這種優(yōu)越性越突出。而且光纖中傳送的是光脈沖，具有天然的抗電磁干擾能力，可以免去傳統(tǒng)傳輸電纜復(fù)雜的抗電磁干擾措施。 為了保證光耦合效率，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中的光發(fā)送器和光接收器沒(méi)有采用常規(guī)的 LED 和 PIN，而是采用了美國(guó) Agilent 公司的 HFBR1414 光收發(fā)模塊。它們均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，工作溫度范圍為－ 40℃～ 85℃，提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 st 接口。 HFBR1414 是低成本的高速光發(fā)送器，其結(jié)構(gòu)如圖 4－ 7。 圖 4－ 7 HFBR1414高速光 發(fā)送器 模式 2 C B D DOUT A Q9 Q4=CLK EOC CONV SN74HC4060 產(chǎn)生時(shí)鐘 MAX 195 與門 與門 與門 與門 或門 或門 模式 1 圖 4－ 6 信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)邏輯電路圖 32 6 電磁兼容設(shè)計(jì) 電磁兼容的分類 電磁干擾按傳播途徑分，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，其中傳導(dǎo)干擾的傳輸性質(zhì)有電耦合、磁耦合及電磁耦合；按輻射干擾的傳輸性質(zhì)分，有近區(qū)場(chǎng)感應(yīng)耦合和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射耦合；按頻帶分，有窄帶干擾和寬帶干擾：按實(shí)施干擾者的主觀意向分，可分為有 意干擾源和無(wú)意干擾源；按干擾源性質(zhì)分，有自然干擾和人為干擾，等 。 我國(guó)的電磁兼容技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）規(guī)定，電磁兼容技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)共分四類：基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，通用標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng) 間電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，已發(fā)布的先行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有 20 個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，這類標(biāo)準(zhǔn)涉及 EMC 術(shù)語(yǔ)、電磁環(huán)境 EMC測(cè)量設(shè)備規(guī)范和 EMC 測(cè)量方法等，如 GB/T4365－ 95。 通用標(biāo)準(zhǔn)，已發(fā)布的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有 4 個(gè)。其中 GB8702 主要涉及在強(qiáng)磁環(huán)境下對(duì)人體的保護(hù)要求， GB/T14430 主要涉及無(wú)線電業(yè)務(wù)要求的信號(hào) /干擾保護(hù)比。 產(chǎn)品類標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)此類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最大，已發(fā)布的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有 47 個(gè)，如 GB925GB434 GB4824和 GB13837 等。 系統(tǒng)間電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，除以上分類以外。我國(guó)的國(guó)標(biāo)還包含相當(dāng)數(shù)量 的系統(tǒng)間 EMC 標(biāo)準(zhǔn)，它們主要規(guī)定了經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)的不同系統(tǒng)之間的 EMC 要求，如 GB636 GB13613－ 13620 等 [18]。 部分 電磁兼容技術(shù) 介紹 電磁屏蔽：抑制以場(chǎng)的形式造成干擾的有效方法是電磁屏蔽。所謂電磁屏蔽就是以某種材料（導(dǎo)電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw（實(shí)體的或非實(shí)體的）將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來(lái)，形成電磁隔離，即其內(nèi)的電磁場(chǎng)不能越出這一區(qū)域，而外來(lái)的輻射電磁場(chǎng)不能進(jìn)入這一區(qū)域（或者進(jìn)出改區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的發(fā)射、吸收的引導(dǎo)作用。而這些 作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的。 電磁干擾濾波器：濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)電磁干擾，提高電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度水平的主要手段，也是保證設(shè)備整體或局部屏蔽效能的重要輔助措施。實(shí)踐表明，即使一個(gè)經(jīng)過(guò)很好設(shè)計(jì)并且具有正確的屏蔽和接地措施的產(chǎn)品，也仍然會(huì)有 33 傳導(dǎo)騷擾發(fā)射或傳導(dǎo)騷擾進(jìn)入設(shè)備。濾波是壓縮信號(hào)回路騷擾頻譜的一種方法。當(dāng)騷擾頻譜成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，可以用濾波器將無(wú)用的騷擾濾除。濾波器的作用是允許工作信號(hào)通過(guò)，而對(duì)非工作信號(hào)（電磁騷擾）有很大的衰減作用，使 產(chǎn)生干擾的機(jī)會(huì)減到最小。 接地技術(shù)： 接地技術(shù)是電磁兼容技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是任何電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)正常工作時(shí)必須采取的重要技術(shù)。它不僅是保護(hù)設(shè)施和人身安全的必要手段，也是抑制電磁干擾，保障設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性，提高設(shè)備或系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)措施。但接地技術(shù)需要比較高的要求，接地會(huì)引起接地阻抗干擾，只有良好的接地才可以抑制干擾。 電纜設(shè)計(jì)：電纜是效率很高的電磁波接收天線，空間的電磁干擾往往首先被電纜接收到，然后傳到設(shè)備中，造成電路的誤動(dòng)作。電纜中的導(dǎo)線都是平行的，而且平行走線距離最長(zhǎng) ，因此信號(hào)串?dāng)_是十分 嚴(yán)重的，減少電纜中導(dǎo)線的串?dāng)_是電磁兼容設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容。另外，即使不是一根電纜中的導(dǎo)線，相互串?dāng)_也往往十分嚴(yán)重，要通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來(lái)減少這些串?dāng)_ [19]。 電磁兼容初步設(shè)計(jì) 本次電磁兼容采用屏蔽，接地，濾波器作為設(shè)備抗干擾的主要手段。 針對(duì)阻容式互感器的結(jié)構(gòu)，我們對(duì)其傳感頭和信號(hào)處理電路進(jìn)行電磁屏蔽，將器件至于鐵盒中從而達(dá)到屏蔽目的。 但采用阻容分壓的傳感頭本身的抗磁場(chǎng)干擾能力較強(qiáng)，可以考慮使用抗電廠能力強(qiáng)的鋁來(lái)代替鐵作為屏蔽盒的材料。 系統(tǒng)接地方式有懸浮、直接接地和通過(guò)阻抗接地三種。本次設(shè)計(jì)采用 懸浮接地，懸浮接地是指設(shè)備的地線在電氣上與參考地及其他到提相絕緣，即設(shè)備懸浮地。各設(shè)備的內(nèi)部電路都有各自的參考“地”，它們通過(guò)低阻抗接地導(dǎo)線連接到信號(hào)地，信號(hào)地與建筑物結(jié)構(gòu)地及其他導(dǎo)電物隔離。使干擾造成的流過(guò)電源的浪涌電流大大降低，從而增加了抗共模干擾的能力。 最后，在電路板上的電源與地線間加去耦電容濾去峰值電流跳變產(chǎn)生的電磁干擾。 電路板上采取的減少電路間的耦合干擾及電路板間的電磁干擾的措施有：加粗和縮短電源線、地線的布線以減小環(huán)路電阻，將轉(zhuǎn)角做圓滑處理；低頻電路部分采用單點(diǎn)并聯(lián)接地和部分串連后再并聯(lián)接地 ；將信號(hào)線與電源線，模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線分開(kāi)； 34 模擬電路和數(shù)字電路盡量分開(kāi)布置；電源和低頻信號(hào)連接線采用小節(jié)距的雙絞線；將重要元器件屏蔽起來(lái)；電源線靠近地線，減小所圍面積以減少外界磁場(chǎng)切割環(huán)路產(chǎn)生的電磁干擾。 35 7 總 結(jié) 阻容式分壓型電壓互感器作為一種可以代替常規(guī)電壓互感器的新型測(cè)量設(shè)備，由于結(jié)合了現(xiàn)代新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的需要，隨著研究的深入在理論上已經(jīng)成熟了起來(lái)，并在實(shí)際運(yùn)用中取得了一定的成功。本文通過(guò)方案設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算，計(jì)算機(jī)仿真，樣 品制作一整套流程 對(duì)其進(jìn)行 全面介紹 。 （ 1）分別對(duì) 不同電壓互感器的工作原理進(jìn)行了介紹，比較其優(yōu)劣，確定本論文設(shè)計(jì)方案。 其中電容式電壓互感器可以應(yīng)用于高壓線路上，但是電容分壓器的暫態(tài)特性限制了它的使用；而電阻式電壓互感器在高壓時(shí)的非線性也縮小了其使用范圍；阻容分壓器則同時(shí)繼承了電阻和電容分壓器的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)比較分析，最終選擇了阻容式電壓互感器為本論文的研究?jī)?nèi)容，并就具體的例子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算。 （ 2）對(duì) RCVT 傳感器的暫態(tài)相應(yīng)特性，不同元件對(duì)阻容分壓器輸出誤差影響，階 躍響應(yīng) ，頻率對(duì)阻容分壓器的影響進(jìn)行計(jì)算機(jī) MATLAB 仿真，全面分析 RCVT 各 個(gè)方面的特點(diǎn)， 確定不同元件對(duì)傳感器的影響和重要性，證明這新型互感器 測(cè)量準(zhǔn)確可靠、暫態(tài)響應(yīng)迅速、線性 好、無(wú)飽和等一系列優(yōu)點(diǎn)。 （ 3）制造出樣品實(shí)物，進(jìn)行 不同實(shí)驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試互感器的實(shí)際變比，并與方案設(shè)計(jì)所確定該電壓互感器的額定變比數(shù)值比進(jìn)行比較，做出容許誤差范圍，對(duì)系統(tǒng)誤差來(lái)源進(jìn)行分析說(shuō)明。驗(yàn)證這種新型傳變?cè)硐碌幕ジ衅鳎诮o定的高電壓下是否能夠具有理論分析中的優(yōu)良的傳變特性，瞬變響應(yīng)特性，達(dá)到所期望的準(zhǔn)確等級(jí)。找到合理的矯正誤差的方法；對(duì)傳變過(guò)程中相差，能夠提出減少相差的 校正電路。 對(duì)阻容分壓型電壓 互感器 傳感頭 的工作原理、 元件的選擇 情況， 互感器測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出電壓之間的關(guān)系 ，以及 暫態(tài)響應(yīng)特性作 出 分析 說(shuō)明 。 （ 4）詳細(xì)地分析了電子式電壓互感器的信號(hào)處理電路的各個(gè)環(huán)節(jié)。 在不斷了解各種信號(hào)處理方法后，決定采用二階壓控電壓源低通濾波器和模擬積分電路， 最后利用MAX195 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果 HFBR1414 高速光發(fā)送器送到低壓側(cè)。 （ 5） 由于有源光電互感器工作在惡劣的電磁干擾環(huán)境下，可能遭受各種外界電磁干擾的影響，因此，在傳感器的電磁兼容能力的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了合