混合光電電流互感器的反饋式激光供能

    1 引言

    目前光電式互感器的供能方式主要有：

    (1)利用特制線圈從母線上取電能。采用這種方法面臨兩個困難，一是當母線電流處于空載等小電流狀態時，不能保證電源的正常供應;二是當母線處于超過額定電流的大電流狀態，甚至是短路故障電流時，需要加保護電路，否則可能會造成后續電路的燒毀。

    (2)利用高壓電容分壓器從母線上取電能。采用該方法面臨著比特制線圈取更大電能的困難，首先是如何保證取能電路和后續工作電路之間的電氣隔離問題，這要求更為嚴格的過電壓防護和電磁兼容設計;其次就是這種方法有著更多的誤差來源，溫度、雜散電容等多種因素都將影響該系統的性能，因此獲取電源的穩定性和可靠性較線罔取電能方法為差;另外，采用這種方法得到的功率有限。

    (3)太陽能供電。太陽能電池的輸出易受光強、外界環境溫度變化、季節變化等兇素的影響，所以為了獲得穩定的電源輸出，必須與二次電池構成組合電源系統。采用該方法的不足之處在于電源的不穩定性，這是由太陽能電池固有的缺陷所決定的。另外，就是太陽能電池的轉換效率問題，使得該方法提供的能量有限，從而限制了其應用。

    (4)蓄電池供電。采用這種方法的不足是蓄電池的壽命比較短，且由于放在高壓側，更換起來比較困難，因此在實際應用當中很少被采用。一般情況下，該供能方式都被用作輔助式電源與線圈取電方式相結合，在母線電流比較小的情況下啟動蓄電池進行供能。但是采用這樣的方法在制造成本及可靠性方面還存在不少問題，因此不應該成為將來的發展方向。

    (5)激光供能。該方法利用光纖將激光或其他光源的光能從低電位側傳送到高電位側，再由光電轉換器件(光電池)將光能轉換為電能，經過線件穩壓后提供穩定的電源輸出。由于激光二極管的工作特性可以確保光功率在一定溫度條件下保持穩定，所以通過光電池轉換后得到的電源輸出功率也相對比較穩定，且電源的紋波小，噪聲低，不易受外界其他因素的干擾。近年來，大功率光電轉換器件的性能提高、價格下降，如Photonic公司研制的激光供電系統可提供1.5 W的光功率，轉換效率達到40%，有效供電時間長達10萬個小時以上。因此，激光供能方式是解決混合式光電電流互感器高壓側供電問題的一種比較滿意的方案，本文著重對該方案進行了研究。

    2 系統的總體設計

    由于光電式電流互感器安裝在高電位側，并且完全是由電子線路構成的，因此必須給互感器的電子線路提供相應的電源。電源的作用就是給互感器提供穩定的電能，并且要保證提供足夠的能量。激光供電是將光源(即低壓側激光二極管)的光能經光纖傳送給高壓側的光電轉換器件，轉換成的電能經線性穩壓塊變換后給電子線路供電。這種方式的優點是電源能量供給穩定，不受高壓母線上電流大小和電壓高低的影響。由于采用光模塊進行反饋數據傳輸，整個系統能夠根據負載的變化實時調整光源的輸出功率，不僅節約了電能、降低了高壓供能測得發熱量，也提高了激光二極管和光電池的壽命。整個系統的設計如圖1所示。

    本系統主要包括低壓側的單片機、數字控制電路、激光器、電流控制電路、溫度控制電路和高壓側的光電池、智能電池監視器、穩壓塊、線性穩壓塊等。單片機(MCU)通過D/A對激光器的驅動電流及溫度進行設定，并與高壓側的智能電池監視器通訊，由光模塊將單片機發出的指令轉換成光信號，通過光纖將信號傳送到高壓側，再由光模塊將光信號轉換成電信號傳送給智能電池監測器。電池監視器根據單片機的指令采集光電池輸出的電壓、電流以及互感器的工作電壓，再由光模塊及光纖將采集的數據傳送給低壓側的單片機。單片機根據接收的數據(電流和電壓)監視光電池的工作狀態，并據此調節激光器的驅動電流以控制激光器的輸出功率，從而使光電池的輸出功率保持恒定。這樣，通過對光電池工作狀態的監視，根據光電池的工作狀態來調節激光器的驅動電流，從而改變激光器輸出光功率的大小，以得到穩定的光電池輸出功率。

    3 高壓供能側設計

    系統要求光電池給互感器提供穩定可靠的電源，以保證互感器的正常工作。但是光電池在相同光功率下輸出電功率會隨著負載的變化而變化。而只有當系統負載發生長時間大范圍變動時，反饋系統才調整光源的光功率輸出。而當互感器的阻抗發生一些瞬時小范圍波動時，光電池的輸出功率也會隨之發生變化，這樣就很難保證互感器的正常工作。本系統特別設計了光電池電壓自舉泄流電路，使光電池能始終工作在效率最高點附近，且輸出功率不受負載的影響。并且對光電池電流、電壓和互感器工作電壓進行采樣，根據采樣數據來調節光電池的輸入光功率，從而進一步保證了光電池的輸出穩定可靠。如圖2所示，利用串聯式穩壓塊使光電池的輸出電壓固定，本文采用的是德州儀器生產的TL1431，可以輸出參考電壓Vref為2.5 V，并能通過改變電路中R2，R3的阻值，來改變它的輸出電壓Uout=(1+R2/R3)Vref。同時串聯穩壓塊在這里起到泄流的作用，即當互感器不需要那么多的電能時，多余的電能會消耗在串聯穩壓塊上。光電池工作在6.1 V時輸出電功率最大，但是當工作電壓大于6.1 V時，電功率下降得很快。為避免出現這種情況，設計光電池的工作電壓時，留出了0.1 V的余量，也就是使光電池工作電壓保持在6 V。通過選取R2，R3使得穩壓塊輸出電壓為5.9V，這樣采樣電阻R1的壓降就為0.1 V。由于光電池的工作電流為50 mA，故可求出所需采樣電阻的阻值為2 Ω。互感器所需電壓為5 V，但是光電池提供的電壓為6V，所以采用高效率的線性穩壓模塊穩壓。

    4 光電池輸出的穩定性分析

    圖3(a)為在不同負載下，光電池的工作電壓曲線。由于光電池提供的電能有限，當負載減小到一定值時，負載所需電流上升，串行穩壓塊的電流減小以至于不能正常工作，即不能輸出6 V，光電池兩端電壓下降。圖3(d)為負載兩端的電壓，由于光電池提供的電功率不足，所以電壓開始下降。從曲線可以看出，當互感器的阻抗小于150 Ω時，工作電壓開始下降，所以瓦感器的阻抗變化太大時，會引起系統工作異常，此時應啟動報警程序。

    根據式(1)可求出，圖3(c)中當電阻變化在150Ω到270 Ω時，電壓穩定度為0.15 V，同時可以看出當負載大于150 Ω時，負載兩端電壓下降，光電池的輸出功率也下降。系統不能長時間工作在這個狀態下，會造成穩壓塊燒毀，且電壓降得太低電池監視器也無法正常上作，故應避免出現這種情況。　

    5 結 論

    通過對大功率激光光源和光電轉換電路的設計和大量的實驗得出以下結論：

    (1)光電池輸出5 V，當負載在155～180Ω變化時，電壓穩定度≤0.15 V;

    (2)通過對高壓側供電模塊電壓、電流參數的實時監測能夠及時檢測系統的運行狀態，并對異常工作狀態進行報警處理。