摘 要：為了對(duì)高壓平臺(tái)上的脈沖電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)自積分式Rogowski線圈并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)，將測(cè)量到的信號(hào)傳輸?shù)降蛪憾藢?duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，脈沖信號(hào)源產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，然后使用示波器進(jìn)行測(cè)量，得到一條測(cè)量電流和脈沖電壓的關(guān)系曲線，其線性度良好，因此該裝置能夠用于高壓脈沖電流的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：Rogowski線圈; 光電轉(zhuǎn)換; 單次脈沖電流測(cè)量; 高壓平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN911.734; TM933.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2012)09012203

由于示波器和探頭的耐壓有限，對(duì)于高壓平臺(tái)上的脈沖電流測(cè)量，不能直接使用示波器測(cè)量電流波形，此外，高電壓干擾也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，所以要測(cè)量高壓平臺(tái)上的電流波形，必須把高壓端與示波器隔離起來(lái)，把大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。Rogowski線圈被廣泛用做脈沖電流的測(cè)量，它是在非鐵磁骨架上用銅線繞制而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶寬、測(cè)量范圍大、精確度高、不存在磁飽和以及良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)［1］，此外由于Rogowski線圈是無(wú)源器件，降低了對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求。但是線圈需要屏蔽，且線圈的雜散電容也會(huì)對(duì)信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生干擾，為了解決這些問(wèn)題，本文利用Rogowski線圈以及光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，采用發(fā)光二極管、光纖及放大電路，制作了單次脈沖電流的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量電流脈寬為300 ns，電流上升沿為140 ns，成功地在30 kV高壓平臺(tái)上對(duì)脈沖電流波形進(jìn)行了測(cè)量，解決了高壓平臺(tái)與測(cè)量?jī)x器的隔離問(wèn)題，提高了測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力和精確度，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和線性擬合，得到了一條擬合曲線，此曲線具有較良好的線性度，可以用來(lái)對(duì)后期測(cè)量進(jìn)行查對(duì)計(jì)算。

Rogowski線圈是通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線上變化電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈上感應(yīng)出的電信號(hào)，確定導(dǎo)線上的電流大小［2］。Rogowski線圈又可以分為外積分式和自積分式兩種，當(dāng)使用外積分式Rogowski線圈時(shí)，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)RC積分回路，所以限制了其頻率響應(yīng)范圍，而自積分式Rogowski線圈的頻率響應(yīng)很高，是測(cè)量納秒級(jí)脈沖大電流信號(hào)的理想手段，在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用。Rogowski線圈的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［3］。

整個(gè)系統(tǒng)主要由置于高壓平臺(tái)上的脈沖信號(hào)源、Rogowski線圈、電/光取樣單元、光纖傳輸單元、光/電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)處理單元等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Rogowski線圈采用自積分式電路［4］，在線圈的兩端直接連接一個(gè)小的電阻負(fù)載，測(cè)量電阻兩端的電壓信號(hào)來(lái)確定測(cè)量電流，這就是自積分式Rogowski線圈。要使用自積分電路的關(guān)鍵是要保證電阻負(fù)載的純阻性。本文制作的Rogowski線圈由芯架、測(cè)量線圈和信號(hào)電阻等構(gòu)成，芯架采用圓形結(jié)構(gòu)，半徑5 cm，測(cè)量線圈使用直徑1 mm漆包線，均勻繞制在環(huán)形非磁芯芯架上，共繞196匝。在繞制線圈時(shí)，需均勻回繞一周，即沿著任意閉曲面環(huán)繞線圈，當(dāng)繞到終點(diǎn)后再稀疏回繞到起點(diǎn)，為了消除雜散磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響，其首尾都應(yīng)在線圈的一側(cè)，匝間距約為0.16 cm，信號(hào)電阻R直接接在測(cè)量線圈兩端。再將線圈放入屏蔽鐵盒內(nèi)，屏蔽中心開(kāi)孔，以便信號(hào)線穿過(guò)，取樣電阻為5 Ω，電阻采用無(wú)感電阻，以消除掉電阻電感與雜散電容產(chǎn)生的高頻振蕩干擾。

電/光轉(zhuǎn)換部分由取樣電阻和發(fā)光二極管組成，如圖3所示。當(dāng)脈沖電流通過(guò)Rogowski線圈時(shí)，取樣電阻R上會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電壓降V，并隨著輸入脈沖電流呈線性變化。變化的電壓也會(huì)同時(shí)加到發(fā)光二極管上，當(dāng)感應(yīng)電流超過(guò)發(fā)光二極管的閾值電流時(shí)，二極管發(fā)光并且光的強(qiáng)度會(huì)隨著脈沖電流的變化而線性地變化。變化的光信號(hào)經(jīng)10 m長(zhǎng)的光纖傳輸?shù)降蛪憾?，?jīng)過(guò)光電二極管， 將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)， 輸入到放大器放大后， 通過(guò)示波器觀察單次脈沖電流波形。本文選用直接注入式發(fā)光二極管，采用的是美國(guó)安捷倫公司的Philippines HFBR1521系列低功耗、高效發(fā)光二極管， 其發(fā)射光波波長(zhǎng)為600 nm、帶寬為125 MHz、截止頻率為35 MHz，反向擊穿電壓為11 V，上升時(shí)間最小可達(dá)到80 ns，工作溫度范圍為-40～+85 ℃。傳輸光纖采用芯徑Φ2.5 mm的多模光纖，其傳輸損耗小、通頻帶寬，可達(dá)10 GHz以上。此外由于光纖是絕緣物，而且不受電磁感應(yīng)干擾，解決了被測(cè)高壓端與終端測(cè)量?jī)x器的隔離問(wèn)題。

在以往的光纖通信中經(jīng)常使用PIN發(fā)光二極管進(jìn)行光檢測(cè)來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。但其電信號(hào)較弱，很難將其有效地轉(zhuǎn)換成合適的電壓供后繼電路進(jìn)行信號(hào)處理使用。以前通常使用價(jià)格昂貴的高性能運(yùn)算放大器組成放大電路， 但容易受到外界電磁干擾的影響。本文采用美國(guó)安捷倫特公司生產(chǎn)的Philippines HFBR2521，它是將PIN發(fā)光二極管和前級(jí)放大器集成在一起的新型光接插器件。其內(nèi)部采用肖特基三極管，并集成了上拉電阻和抗干擾電路，其輸出電壓較大，可以直接作為輸出進(jìn)行測(cè)量或作為后級(jí)放大電路的輸入信號(hào)。通過(guò)外界簡(jiǎn)單的連接電路即可以作為高性能的光接收電路，其電路連接圖如圖4所示。

對(duì)于以上的測(cè)量系統(tǒng)，脈沖信號(hào)源使用純電阻負(fù)載，在平臺(tái)未加高壓的情況下，對(duì)測(cè)量線圈進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)使用電壓探頭測(cè)出脈沖信號(hào)源輸出脈沖電壓的大?。?］，同時(shí)采用Rogowski線圈測(cè)量，得到的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)化、傳輸、光/電轉(zhuǎn)換以及一級(jí)電壓放大電路后，通過(guò)示波器測(cè)量。根據(jù)示波器上顯示的脈沖電壓幅值、測(cè)量電流幅值以及負(fù)載電阻的大小，可以求出相對(duì)應(yīng)的真實(shí)脈沖電流，以此對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。依次輸入不同的脈沖電壓，用示波器的電壓探頭就可以從示波器熒光屏上讀出不同的值，數(shù)據(jù)如表1所示。表中的數(shù)據(jù)均是在三次測(cè)量以后所取得的平均值。

在測(cè)量過(guò)程中，所使用的器件皆為線性器件，假定IV關(guān)系為直線關(guān)系，對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其結(jié)果如圖5所示。 用I表示測(cè)出的電流脈沖幅值，用V表示脈沖信號(hào)源相應(yīng)電壓脈沖幅度，設(shè)該直線方程為:I=a×V+b，由最小二乘法原理經(jīng)過(guò)相應(yīng)計(jì)算得到標(biāo)定直線方程為I=V×19.368 28-0.867 1。由該方程繪制出IV校正直線，此直線和擬合方程可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電流脈沖時(shí)計(jì)算使用。

在試驗(yàn)中，高壓平臺(tái)所加高壓為30 kV，把測(cè)量系統(tǒng)連接到高壓平臺(tái)上，由示波器測(cè)量得到的電流波形如圖6所示，脈沖上升沿為140 ns，脈沖寬度為300 ns。說(shuō)明自積分式Rogowski線圈能夠用來(lái)對(duì)納秒級(jí)電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)由于電磁干擾會(huì)有高頻振蕩噪聲，可以通過(guò)數(shù)字濾波消除。

本文利用Rogowski線圈以及光纖技術(shù)設(shè)計(jì)了高壓平臺(tái)脈沖電流的測(cè)量裝置，解決了高壓平臺(tái)和測(cè)量?jī)x器的隔離問(wèn)題。通過(guò)脈沖信號(hào)源和示波器對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，兩者的相關(guān)性較高。利用該裝置在高壓平臺(tái)上測(cè)量得到了脈沖電流信號(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介： 邱 瑞 男，1986年出生，四川廣元人，碩士。主要研究方向?yàn)楦邏好}沖放電。