混合光电电流互感器的反馈式激光供能

1 引言

目前光电式互感器的供能方式主要有：

(1)利用特制线圈从母线上取电能。采用这种方法面临两个困难，一是当母线电流处于空载等小电流状态时，不能保证电源的正常供应;二是当母线处于超过额定电流的大电流状态，甚至是短路故障电流时，需要加保护电路，否则可能会造成后续电路的烧毁。

(2)利用高压电容分压器从母线上取电能。采用该方法面临着比特制线圈取更大电能的困难，首先是如何保证取能电路和后续工作电路之间的电气隔离问题，这要求更为严格的过电压防护和电磁兼容设计;其次就是这种方法有着更多的误差来源，温度、杂散电容等多种因素都将影响该系统的性能，因此获取电源的稳定性和可靠性较线罔取电能方法为差;另外，采用这种方法得到的功率有限。

(3)太阳能供电。太阳能电池的输出易受光强、外界环境温度变化、季节变化等凶素的影响，所以为了获得稳定的电源输出，必须与二次电池构成组合电源系统。采用该方法的不足之处在于电源的不稳定性，这是由太阳能电池固有的缺陷所决定的。另外，就是太阳能电池的转换效率问题，使得该方法提供的能量有限，从而限制了其应用。

(4)蓄电池供电。采用这种方法的不足是蓄电池的寿命比较短，且由于放在高压侧，更换起来比较困难，因此在实际应用当中很少被采用。一般情况下，该供能方式都被用作辅助式电源与线圈取电方式相结合，在母线电流比较小的情况下启动蓄电池进行供能。但是采用这样的方法在制造成本及可靠性方面还存在不少问题，因此不应该成为将来的发展方向。

(5)激光供能。该方法利用光纤将激光或其他光源的光能从低电位侧传送到高电位侧，再由光电转换器件(光电池)将光能转换为电能，经过线件稳压后提供稳定的电源输出。由于激光二极管的工作特性可以确保光功率在一定温度条件下保持稳定，所以通过光电池转换后得到的电源输出功率也相对比较稳定，且电源的纹波小，噪声低，不易受外界其他因素的干扰。近年来，大功率光电转换器件的性能提高、价格下降，如Photonic公司研制的激光供电系统可提供1.5 W的光功率，转换效率达到40%，有效供电时间长达10万个小时以上。因此，激光供能方式是解决混合式光电电流互感器高压侧供电问题的一种比较满意的方案，本文着重对该方案进行了研究。

2 系统的总体设计

由于光电式电流互感器安装在高电位侧，并且完全是由电子线路构成的，因此必须给互感器的电子线路提供相应的电源。电源的作用就是给互感器提供稳定的电能，并且要保证提供足够的能量。激光供电是将光源(即低压侧激光二极管)的光能经光纤传送给高压侧的光电转换器件，转换成的电能经线性稳压块变换后给电子线路供电。这种方式的优点是电源能量供给稳定，不受高压母线上电流大小和电压高低的影响。由于采用光模块进行反馈数据传输，整个系统能够根据负载的变化实时调整光源的输出功率，不仅节约了电能、降低了高压供能测得发热量，也提高了激光二极管和光电池的寿命。整个系统的设计如图1所示。
　

本系统主要包括低压侧的单片机、数字控制电路、激光器、电流控制电路、温度控制电路和高压侧的光电池、智能电池监视器、稳压块、线性稳压块等。单片机(MCU)通过D/A对激光器的驱动电流及温度进行设定，并与高压侧的智能电池监视器通讯，由光模块将单片机发出的指令转换成光信号，通过光纤将信号传送到高压侧，再由光模块将光信号转换成电信号传送给智能电池监测器。电池监视器根据单片机的指令采集光电池输出的电压、电流以及互感器的工作电压，再由光模块及光纤将采集的数据传送给低压侧的单片机。单片机根据接收的数据(电流和电压)监视光电池的工作状态，并据此调节激光器的驱动电流以控制激光器的输出功率，从而使光电池的输出功率保持恒定。这样，通过对光电池工作状态的监视，根据光电池的工作状态来调节激光器的驱动电流，从而改变激光器输出光功率的大小，以得到稳定的光电池输出功率。

3 高压供能侧设计

系统要求光电池给互感器提供稳定可靠的电源，以保证互感器的正常工作。但是光电池在相同光功率下输出电功率会随着负载的变化而变化。而只有当系统负载发生长时间大范围变动时，反馈系统才调整光源的光功率输出。而当互感器的阻抗发生一些瞬时小范围波动时，光电池的输出功率也会随之发生变化，这样就很难保证互感器的正常工作。本系统特别设计了光电池电压自举泄流电路，使光电池能始终工作在效率最高点附近，且输出功率不受负载的影响。并且对光电池电流、电压和互感器工作电压进行采样，根据采样数据来调节光电池的输入光功率，从而进一步保证了光电池的输出稳定可靠。如图2所示，利用串联式稳压块使光电池的输出电压固定，本文采用的是德州仪器生产的TL1431，可以输出参考电压Vref为2.5 V，并能通过改变电路中R2，R3的阻值，来改变它的输出电压Uout=(1+R2/R3)Vref。同时串联稳压块在这里起到泄流的作用，即当互感器不需要那么多的电能时，多余的电能会消耗在串联稳压块上。光电池工作在6.1 V时输出电功率最大，但是当工作电压大于6.1 V时，电功率下降得很快。为避免出现这种情况，设计光电池的工作电压时，留出了0.1 V的余量，也就是使光电池工作电压保持在6 V。通过选取R2，R3使得稳压块输出电压为5.9V，这样采样电阻R1的压降就为0.1 V。由于光电池的工作电流为50 mA，故可求出所需采样电阻的阻值为2 Ω。互感器所需电压为5 V，但是光电池提供的电压为6V，所以采用高效率的线性稳压模块稳压。

4 光电池输出的稳定性分析

图3(a)为在不同负载下，光电池的工作电压曲线。由于光电池提供的电能有限，当负载减小到一定值时，负载所需电流上升，串行稳压块的电流减小以至于不能正常工作，即不能输出6 V，光电池两端电压下降。图3(d)为负载两端的电压，由于光电池提供的电功率不足，所以电压开始下降。从曲线可以看出，当互感器的阻抗小于150 Ω时，工作电压开始下降，所以瓦感器的阻抗变化太大时，会引起系统工作异常，此时应启动报警程序。

根据式(1)可求出，图3(c)中当电阻变化在150Ω到270 Ω时，电压稳定度为0.15 V，同时可以看出当负载大于150 Ω时，负载两端电压下降，光电池的输出功率也下降。系统不能长时间工作在这个状态下，会造成稳压块烧毁，且电压降得太低电池监视器也无法正常上作，故应避免出现这种情况。

5 结 论

通过对大功率激光光源和光电转换电路的设计和大量的实验得出以下结论：

(1)光电池输出5 V，当负载在155～180Ω变化时，电压稳定度≤0.15 V;

(2)通过对高压侧供电模块电压、电流参数的实时监测能够及时检测系统的运行状态，并对异常工作状态进行报警处理。