西门子串补传感器OPTO68电路分析

西门子串补传感器OPTO68电路分析

苏晓胡慧艳

(中国南方电网超高压输电公司南宁局广西南宁530028)

摘要：本次研究测绘了西门子串补传感器OPTO68的原理图。本文首先以模块的形式对OPTO68各个电路单元进行分析，然后从电源分配网络、地网络设计和低功耗设计等方面进行整体分析。

关键词：串补；OPTO68；电路分析

0前言

在高压输电系统中，串联补偿（以下简称“串补”）装置利用串接于输电线路中电容器的容抗来补偿输电线路的部分感抗，缩短线路的等值电气距离，从而提高线路输送容量。串补装置中用于测量串补保护的电流量的装置，即串补传感器。串补传感器对整个高压输电系统的安全稳定运行起着十分重要的作用，然而目前有相当大一部分串补传感器（随成套设备）从国外进口，这些国外设备制造公司并不提供原理图纸，在设备发生故障后只能采用直接更换新传感器的方式进行修复，成本高昂，无法对设备故障点定位、进行技术改进以及真正掌握相关技术。由此可见，对串补传感器内部工作原理的研究具有极高的意义和价值。

1OPTO68简介

西门子公司研制的串补传感器OPTO68是一个由激光和电压互感器混合供能的8通道串补保护电信号采集装置，其外形如下：

图1OPTO68外形

OPTO68面板标签图如下：

图2OPTO68面板标签图

接线端子功能定义如下：

●串补保护电信号输入

表1串补保护电信号输入端子定义

●光纤接口

X91：OPTO68数据输出接口

X92：供能激光输入接口

●电压互感器供电接口

X101，X102

●接地端子

Y1

OPTO68技术指标如下：

表2OPTO68技术指标

2OPTO68内部结构

OPTO68内部结构如下：

图3OPTO68内部电路板图4OPTO68内部电压互感器

从拆解图可知，OPTO68包含一块喷涂了三防漆的数据采集板和一个电压互感器。数据采集板由光电池模块、AC-DC及稳压模块、控制模块、激光驱动模块和8个结构基本相同的模拟信号采集模块组成。电压互感器变比为1.1/1，二次绕组带中心抽头。

3电路分析

在已有电路板的情况下，经过反向分析，可推出其原理图。以下首先以模块的形式对各个电路单元进行分析，然后从电源分配网络、地网络设计和低功耗设计等方面进行整体分析。

3.1光电池模块

OPTO68由激光和电压互感器混合供能。激光供能的原理是使用光电池将大功率激光转变为电，光电池模块的原理图如下：

分析原理图可知，激光能量充足时，电流从光电池正极流出，对外部电路进行供电，最后经过二极管Q8上半部分及电感L6流回光电池负极；激光能量不足时电流从储有能量的电感L6流出，对外部电路进行供电。当光电池输出欠压且电感L6提供的电压不足时比较器U121将输出一个高电平至控制模块。

3.2AC-DC及稳压模块

电压互感器供能方案涉及到交流转直流以及直流稳压，AC-DC及稳压模块的原理图如下：

图6AC-DC及稳压模块原理图

外部输入的交流电经过防护器件D21和滤波器件C505后接入电压互感器的一次绕组。电压互感器的二次绕组输出的交变电压通过AC-DC变换、线性稳压后变成约5.4V的电压，与光电池输出电压并联。

图7控制模块的原理图

3.3控制模块

在OPTO68中，控制模块主要完成以下功能：

●接收激光供能和电压互感器供能的欠压告警信号；

●控制模拟信号采集通道中的模拟开关（可能分别用于自校准及调整频响）；

●向模拟信号采集通道中的模数转换器发送指令并接收模数转换器返回的数据；

●以特定格式将八个通道的模数转换器返回的数据拼接后从一个引脚串行输出。

控制模块的原理图如下：

控制模块的主控芯片U98是一片CPLD，全局时钟频率约为2.396MHz，核心电压是1.9V，I/O电压是3.3V。

3.4激光驱动模块

激光驱动模块的原理图如下：

图8激光驱动模块原理图

分析原理图可知，控制模块通过带反相供能的施密特触发器U107和三极管Q3驱动激光器。当控制模块输出低电平时激光器发光，反之激光器关闭。

3.5模拟信号采集模块

OPTO68有八个模拟信号采集通道，八个通道的电路结构基本相同。以其中一个通道为例，其原理图如下：

图9模拟信号采集模块原理图（一个通道）

模拟信号采集通道的输入方式为差分输入，同相端和反相端的电路成镜像关系。以同相端为例，外部电信号输入OPTO68的端子后，首先经过防护器件D7。防护器件可以吸收雷击、浪涌等产生的瞬态高压，将电压钳制在可接受的范围内。信号随后经过精密电阻分压网络，幅度衰减为原来的30%，即满幅10V的信号会衰减到3V。再经过RC滤波网络后信号进入4通道模拟开关U38。送入U38的还有3V基准电压、1.5V基准电压和0V基准电压（地）。控制模块可以分别接通每一个通道的模拟开关，在必要时候进行自校准，而在测量阶段则接通开关前级信号调理电路和后级运放U39，进行电压跟随。

在同相端和反相端信号均完成一系列处理后，两路信号同时被接入运放U43，进行差分放大，幅度由差分电压的-3V~3V线性变化为单端电压的约0.15V~2.85V。最终，由模数转换器U49完成模拟量到数字量的转换。

八个模拟信号采集模块共用一组来自控制模块的控制线，是同时进行采集和模数转换的，其输出结果独立、并行输送至控制模块。

3.6电源分配网络

OPTO68的电源种类较多，其电源分配网络如下图所示：

图10OPTO68电源分配网络

3.7地网络设计

OPTO68的电路涉及到五种地网络，其连接关系如下图所示：

OPTO68不同地网络的功能如下：

表3OPTO68不同地网络的功能

3.8低功耗设计

OPTO68可以在仅使用激光供能的条件下工作，而激光供能的效率和提供的能量都极为有限，所以OPTO68的功耗需要做到尽可能低。OPTO68的低功耗设计主要体现在电路方案和器件选型上。

3.8.1主控芯片

OPTO68的主控芯片是Xilinx公司的XC2C256，该CPLD专为高性能、低功耗应用而设计，其动态功耗性能如下：

图11OPTO68地网络连接关系

图12XC2C256功耗特性

在OPTO68中，主控芯片XC2C256的全局时钟频率约为2.396MHz，有26个I/O口被占用，仅有1个I/O口（用于激光器驱动）进行以不高于2.396MHz的频率进行输出。可以粗略估计，主控芯片的核心电流只有数毫安。

3.8.2时钟芯片

OPTO68的控制模块使用LinearTechnology的LTC6900作为时钟源。LTC6900是一款硅振荡器，其工作电流仅有约500μA（@VS=3V,3MHz）。较传统的石英晶体振荡器（工作电流有数毫安至数十毫安），LTC6900的工作电流要低得多。

3.8.3电源方案与电源芯片

OPTO68的电源方案合理地使用了DC-DC和LDO。在前后压差大的转换场景中使用DC-DC可以获得更高的转换效率，例如5.4V转3.3V、5.4V转1.9V；在前后压差小的转换场景中，使用LDO更容易获得高的效率，例如5.4V转5V。

OPTO68使用了自身工作电流极低的LDO以及轻载条件下转换效率高的DC-DC芯片。OPTO68选用的电源芯片的特性如下：

表4OPTO68选用的电源芯片的特性

4结束语

本文对西门子串补传感器OPTO68从各个电路单元、电源分配网络、地网络设计和低功耗设计等角度进行了梳理，对其工作原理进行了分析。后续研究可以围绕设计参数、失效分析等方面进行。通过本次研究，我们对OPTO68工作原理、设计缺陷和潜在故障有了更深入的了解，这对定位故障点、进行技术改进或自研串补传感器有很大的帮助。

参考文献

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[2]马迎新，田建光，徐忱.超高压串补装置平台设备供能技术分析[J].华北电力技术，2013，12:53-59.

[3]朱炜，高学山，吴晓兵，涂以鹏.混合光电电流互感器的反馈式激光供能[J].微纳电子技术，2007，7/8:146-149.

作者简介

[1]苏晓，1984.01，本科，高级工程师，继电保护和柔性交流输电技术运行维护管理。

[2]胡慧艳，1983.04，硕士，讲师，广西电力职业技术学院，电力系统及其自动化。