[科普中国]-压电陶瓷式电子电压互感器

简介

传统的电压互感器的体积比较大，重量也比较重，安装时比较难，一旦操作失误，还可能造成人员伤亡的危险。使用了压电陶瓷式电子电压互感器后，弥补了传统的电子电压互感器的不足，还推动了计算机技术的发展，显现出了电子电压互感器的应用前景。传统的电子电压互感器还存在两个问题，一个是铁磁饱和问题，另一个是复杂绝缘结构问题。为解决问题，对压电陶瓷逆压电效应的电子式电压互感器进行了开发研究，本文在研究的基础上，还发现了压电陶瓷式电子电压互感器的信号处理系统，并根据相关实验表明，这个信号处理装置具有很高的安全性、可靠性和稳定性1。

压电陶瓷式电子电压互感器的工作原理压电陶瓷如今已经被广泛地应用在电力系统中，是一种有一定逆压电效应的材料，这种材料可以将电能充分地转换成机械能，或者将机械能转换成电能。在一个边缘固定着薄片的压电陶瓷，如果有电压经过陶瓷两极时，就可以根据逆压电的特性，这样就会产生垂直方向的位移，这个位移在一定的范围内会同两端的电压组成线性关系，加到压电陶瓷两端的电压。通过反射形式光纤位移转换器的非接触式的测量将薄片型压电陶瓷片逆压电效应进而产生的震动量，转换为相应光强度变化量，再经过光转换完成后，还要将光强度信号转换为相适应的交变电压信号，同样，输出的电压信号同被测量的电压向量呈现的是线性关系。

压电陶瓷式电子电压互感器模拟信号对于反射式光纤位移传感器所输出的信号，就是比较连续的光强度信号。这个光强度信号主要是通过光纤从而传递到反射式的光纤位移传感器，并且相应的信号处理单元会转化成相对应的输出电压信号，这样就可以准确地反映出电压的大小，因而快速地测量模拟电压的参量。其中，压电陶瓷式电子电压互感器中模拟信号的处理单元可以包括光转换单元、误差补偿等2。

电子电压互感器信号的光电转换单元在电子电压互感器模拟信号的光电转换单元中，想要反射式光纤位移传感器安全、稳定地运行，就要控制好光的强度变化;想要确保光纤位移传感器的测量精度，就要保证在静止时的输出信号是处于不变的状态;想要保持输出的静态信号一致是稳定的，可以选择两个光电转换环节共同接收发光管的光强度发出的信号。这样，我们就可以根据发光管的额定电压的数值，来设定驱动电路发送给发光管的直流电压Uc，还可以将发光管的静态光强度信号经过光电转换完成后，电压Ui同Uc进行对比，如果Uc等于Ui，就可以根据动态反馈回路对Ui进行修改，修改最终结果要使Ui等于Uc，因为只有这样，才能达到最初设定的标准。 在对发光管恒光强控制完成之后，发光管所发出的光强度需要通过入射光纤、反射光纤才能输送给光电转换环节，这一环节就可以作为反射式的光纤位移传感器内部的输出信号。在对动态反馈环节的设计方面，可以更好地将反射式光纤位移传感器的静态直流输出电压控制在某一固定的数值。这样做，不但可以提升电子电压互感器的稳定性和安全性，还使得测量的精确性得以提升。

电子电压互感器信号的滤波放大阶段当压电陶瓷式电子电压互感器正常工作时，压电陶瓷片就会伴随着电压的交变产生一系列的震动，并且当震动有一定的规律时，出射光纤所输出的光强度也会呈现一定的规律变化。此外，在光电转换完成之后，就会得到相应的输出信号，这个输出信号是一种连续不断的交变电压信号和一种相对恒定的电压信号叠加而成的信号，信号的处理系统就会通过过滤掉的直流电压信号从而得到交流电压信号。得到交流电压信号的过程就是将直流电压和交流电压混合的信号通入一个频率为一赫兹的低通滤波器，这样就可以得到直流的电压量，还要用直交混合信号通过减法器将直流电压减掉，这样就可以快速便捷地得到交流电压信号。然后将交流电压信号进行放大处理，就可以得到电子电压互感器输出的信号。。

压电陶瓷式电子电压互感器数字信号在压电陶瓷式电子电压互感器的数字信号处理系统中，需要对交流电压信号进行采集工作。工作中要根据事前所采集数据计算的具体数值、相位计算量、谐波的影响等进行具体分析，得出具体的功能。采用DPS同A/D相结合的技术，这样可以更加快速、便捷地实现每周期256点频率跟踪采样与快速的FFT计算。在这个计算中，DSP56F807芯片可以将DPS同快速A/D相结合的混合处理系统，这样有DPS的计算特点，还有MCU的控制优点，在处理过程中可以更加快速、安全、便捷。

除此之外，A/D自身还有很多的特征，主要有:

第一，A/D的转换分辨率是十二位的，转换器可以将计算出的结果都保存在数字输出寄存器里面，等待下一步的操作，此外，还有十六组A/D转换输入通道，每一组都有各系匹配的A/D转换器;

第二，数字信号的处理系统输出的数据可以设置为有符号数据或者无符号数据，还可以设置为偏移量的校正输出数据;

第三，可以设定过零点中断功能、单边输入、差分输入等;

第四，A/D的模式还可以分成同时采样模式和顺序采样方式，且具有六种扫描的方式;

第五，ADC的最大时钟频率可以达到6兆赫兹，并且扫描的转换速度也很快，最快时仅仅需要4.9微秒。

在对压电陶瓷式电子电压互感器的数字信号处理过程中还会出现一些问题。在时钟的同步方面，一般要取频率为3.5MHz的贴片晶振当做时钟的标准，这样可以更好地保证数据的相同性和准确性;在数据输出的连续方面，在数据的计算完成之后，这些计算的结果都会保存在EPROM中，还会时刻关注着数据的更新，一旦更新，就会自动同步。正因如此，系统中即便出现了系统差错，也可以很好地保证数据的同步性和连续性。

总结通过具体的数据运行可以表明，压电陶瓷式电子电压互感器的信号处理装置的性能稳定性比较强，有高标准的稳态测量能力，可以很好地达到预定要求。其中恒光强补偿单元可以轻松地控制光源的光强度，作为标准的直流电压长时间安全可靠工作，从而保证了反射式的光纤位移传感器的测量准确度，提升了电压互感器的抵抗外来干扰的能力。在数字化传输过程中，传输的速度相对来说比较快，可以快速地反映出具体测量的整个过程。此外，数据输出形态还包括模拟量和数字量两种，这样就使压电陶瓷式电子电压互感器的适用性更加广泛，信号处理装置的可靠性、安全性、稳定性也得以快速提升3。