高压平台上脉冲电流测量.doc

高压平台上脉冲电流测量摘 要：为了对高压平台上的脉冲电流信号进行测量，设计并制作了一个自积分式Rogowski线圈并通过光电转换，光纤传输等技术，将测量到的信号传输到低压端对信号进行监测。在对该测量系统进行标定时，脉冲信号源产生高压脉冲信号，然后使用示波器进行测量，得到一条测量电流和脉冲电压的关系曲线,其线性度良好，因此该装置能够用于高压脉冲电流的测量。 关键词：Rogowski线圈; 光电转换; 单次脉冲电流测量; 高压平台 中图分类号：TN911.734; TM933.1 文献标识码：A 文章编号：1004373X(2012)09012203 由于示波器和探头的耐压有限，对于高压平台上的脉冲电流测量，不能直接使用示波器测量电流波形，此外，高电压干扰也会对测量产生一定的影响，所以要测量高压平台上的电流波形，必须把高压端与示波器隔离起来，把大电流信号转换为小电压信号进行测量。Rogowski线圈被广泛用做脉冲电流的测量，它是在非铁磁骨架上用铜线绕制而成，具有结构简单、频带宽、测量范围大、精确度高、不存在磁饱和以及良好的热稳定性等优点［1］，此外由于Rogowski线圈是无源器件，降低了对测量环境的要求。但是线圈需要屏蔽，且线圈的杂散电容也会对信号的测量产生干扰，为了解决这些问题，本文利用Rogowski线圈以及光电转换技术，采用发光二极管、光纤及放大电路，制作了单次脉冲电流的测量系统，测量电流脉宽为300 ns，电流上升沿为140 ns,成功地在30 kV高压平台上对脉冲电流波形进行了测量，解决了高压平台与测量仪器的隔离问题，提高了测量系统的抗干扰能力和精确度，对测量得到的数据进行分析和线性拟合，得到了一条拟合曲线，此曲线具有较良好的线性度，可以用来对后期测量进行查对计算。 Rogowski线圈是通过测量导线上变化电流产生的磁场在线圈上感应出的电信号,确定导线上的电流大小［2］。Rogowski线圈又可以分为外积分式和自积分式两种,当使用外积分式Rogowski线圈时，必须经过一个RC积分回路,所以限制了其频率响应范围,而自积分式Rogowski线圈的频率响应很高,是测量纳秒级脉冲大电流信号的理想手段,在国外已被广泛应用。Rogowski线圈的结构示意图如图1所示［3］。 整个系统主要由置于高压平台上的脉冲信号源、Rogowski线圈、电/光取样单元、光纤传输单元、光/电转换单元、信号处理单元等组成，系统结构图如图2所示。 图2 测量系统结构图Rogowski线圈采用自积分式电路［4］，在线圈的两端直接连接一个小的电阻负载,测量电阻两端的电压信号来确定测量电流,这就是自积分式Rogowski线圈。要使用自积分电路的关键是要保证电阻负载的纯阻性。本文制作的Rogowski线圈由芯架、测量线圈和信号电阻等构成,芯架采用圆形结构，半径5 cm，测量线圈使用直径1 mm漆包线，均匀绕制在环形非磁芯芯架上,共绕196匝。在绕制线圈时,需均匀回绕一周,即沿着任意闭曲面环绕线圈,当绕到终点后再稀疏回绕到起点，为了消除杂散磁场对测量信号的影响,其首尾都应在线圈的一侧,匝间距约为0.16 cm,信号电阻R直接接在测量线圈两端。再将线圈放入屏蔽铁盒内,屏蔽中心开孔，以便信号线穿过，取样电阻为5 Ω，电阻采用无感电阻，以消除掉电阻电感与杂散电容产生的高频振荡干扰。 电/光转换部分由取样电阻和发光二极管组成，如图3所示。当脉冲电流通过Rogowski线圈时，取样电阻R上会感应产生电压降V，并随着输入脉冲电流呈线性变化。变化的电压也会同时加到发光二极管上，当感应电流超过发光二极管的阈值电流时,二极管发光并且光的强度会随着脉冲电流的变化而线性地变化。变化的光信号经10 m长的光纤传输到低压端，经过光电二极管, 将光信号转变成电信号, 输入到放大器放大后, 通过示波器观察单次脉冲电流波形。本文选用直接注入式发光二极管,采用的是美国安捷伦公司的Philippines HFBR1521系列低功耗、高效发光二极管, 其发射光波波长为600 nm、带宽为125 MHz、截止频率为35 MHz,反向击穿电压为11 V,上升时间最小可达到80 ns,工作温度范围为-40～+85 ℃。传输光纤采用芯径Φ2.5 mm的多模光纤，其传输损耗小、通频带宽,可达10 GHz以上。此外由于光纤是绝缘物,而且不受电磁感应干扰,解决了被测高压端与终端测量仪器的隔离问题。 在以往的光纤通信中经常使用PIN发光二极管进行光检测来将光信号转变为电信号。但其电信号较弱,很难将其有效地转换成合适的电压供后继电路进行信号处理使用。以前通常使用价格昂贵的高性能运算放大器组成放大电路, 但容易受到外界电磁干扰的影响。本文采用美国安捷伦特公司生产的Philipp