基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路的製作方法

2023-04-23 01:53:36 8

專利名稱：基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種積分器電路，尤其涉及一種基於羅氏線圈的電子式電流互感器用 積分器電路，屬於電流測量技術領域。
背景技術：
在電子式電流互感器的研究中，羅氏線圈作為一次電流傳感單元得到了廣泛的關 注。在對交流電流的測量中，羅氏線圈的二次輸出電壓信號是對一次電流信號的微分。如 果要恢復出與一次電流成比例的信號，必須添加相應的積分環節。因此，在基於羅氏線圈的 電子式互感器中積分器電路是其中的關鍵組成部分。影響羅氏線圈測量準確度的原因主要有兩個一是其自身的特性以及測量電流時 的安裝結構，如製作工藝導致其結構參數的變化等；二是積分環節的準確度。隨著對羅氏線 圈幾何特性研究的不斷深入，因其自身特性引起的誤差已經得到了很大的改善，如結構參 數等。羅氏線圈電流傳感器的積分電路主要有兩種實現方式模擬積分器和數字積分器，其 中，模擬積分器具有響應速度快，並且易實現的特點，但是要達到高的準確度和穩定性是比 較困難的。特別是當信號的頻率較低、幅值較小並且積分時間較長時，積分器中元器件如積 分電容、電阻等的特性隨時間、溫度的漂移等將會嚴重影響積分的效果，進而降低系統的測 量準確度；運放自身的特性也會嚴重影響積分器的特性，如有限的開環增益、輸入失調電壓 及其溫漂、輸入偏置電流等。在一定情況下，運放的失調電壓是恆定的，可以採用適當的調 零電路給予補償；但其失調漂移，特別是溫漂一般是無法完全消除的。此外，電路中的低頻 噪聲、電壓漂移和積分電路的相位響應也是影響積分性能的主要原因。所以，模擬積分器以 其自身的特點，可以用於對衝擊大電流的測量，而在對工頻電流的測量中是很難在長期運 行中達到很高準確度的。這也是目前基於羅氏線圈的電子式電流互感器在長期運行中測量 準確度不高的主要原因之一。數字積分器實現相對複雜，其性能不受元器件的時間、溫度漂 移特性的影響，能夠實現對穩態信號的準確測量。但採用數字積分器實現對暫態信號的測 量非常困難，僅能用於對測量準確度要求高，但對暫態響應特性要求不高的場合。對應用於電子式電流互感器的羅氏線圈而言，由於其被測電流屬於低頻電流的範 疇，要想同時為保護和計量設備提供出暫態和穩態信號，對其積分環節的設計將非常關鍵， 並且具有相當的難度。在這種背景下，本發明採用一種基於低頻增益平坦化的模擬積分器 和基於復化辛普森公式和數位訊號處理器的數字積分器來實現僅採用一個羅氏線圈即可 同時為保護和計量設備提供暫態和穩態信號的積分器電路。

發明內容
為了解決上述技術問題本發明提供一種基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積 分器電路，目的是將低頻增益平坦化的模擬積分器和基於復化辛普森公式和數位訊號處理 器的數字積分器用於羅氏線圈的積分環節中，加快轉換速度、增加強抗幹擾能力和測量準 確度。
為達上述目的本發明基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，由下述結 構構成羅氏線圈，用於向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態信號和向信號處理電路 輸出穩態信號；低頻增益平坦化模擬積分器，用於處理羅氏線圈輸出的暫態信號，與羅氏線 圈和信號處理電路相連；信號處理電路，用於處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號， 並對羅氏線圈的輸出穩態信號進行數字積分處理，處理後的信號通過輸出接口電路向保護 通道和計量通道數據送出。所述的低頻增益平坦化模擬積分器由下述結構構成運算放大器，運算放大器的 同相端與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端接地；第一電阻連在羅氏線圈和運算放 大器的反相端之間；第三電阻和第四電阻串聯後連接在運算放大器的反相端和輸出端之 間；第一電容連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第二電容連接在第三電阻和第四 電阻的連接點和地之間。所述的信號處理電路由第一模擬數位訊號轉換器、數字積分器和接口電路組成； 第一模擬數位訊號轉換器用於將低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號轉換為數位訊號； 數字積分器將羅氏線圈的輸出信號進行數字積分；接口電路將數字積分器的輸出和低頻增 益平坦化模擬積分器的輸出送至計量通道和保護通道。所述的數字積分器，由第二模擬數位訊號轉換器、第一高通濾波器、第二高通濾波 器和累加器構成；第二模擬數位訊號轉換器分別與羅氏線圈和第一高通濾波器相連；累加 器分別與第一高通濾波器和第二高通濾波器相連；第二高通濾波器與輸出接口電路相連。本發明的優點效果
1、基於羅氏線圈的電子式電流互感器的保護通道採用一種基於低頻增益平坦化的模 擬積分器實現，該模擬積分器中，第二積分電容的引入能大大優化積分器的低頻特性，在對 工頻大電流的測量中，具有很好的暫態特性。2、本發明電路中採用基於復化辛普森公式的數字積分器實現對穩態低頻電流信 號的測量，為計量設備提供信號；能夠克服元器件溫漂、時漂對積分器性能的影響，實現對 工頻電流的準確測量。3、本發明電路的測量準確度高、暫態性能優良；數字積分器提供的計量通道信號 測量誤差小於0. ；低頻增益平坦化模擬積分器提供的保護通道測量準確度級次優於 5TPE，時間響應特性小於0. 1ms。4、本發明電路具有很好的溫度穩定性和抗振動特性，在-40°C +80°C的溫度變化 範圍內，數位化測量系統因溫度變化引起的測量誤差小於士0. 05% ；外部振動對測量裝置 的準確度不會造成任何影響。本發明的既能實現對穩態信號的高準確度測量，又能實現對暫態信號的快速響 應，採用一個羅氏線圈，能夠同時提供出保護和計量兩個通道測量數據，並具有很好的溫度 穩定性和抗振動特性。


圖1是本發明的結構框圖。圖2是本發明中的低頻增益平坦化模擬積分器的電路圖。圖3是本發明中的信號處理電路的電路圖。
圖4是本發明中的基於復化辛普森公式的數字積分器的電路圖。圖中1、羅氏線圈；2、低頻增益平坦化模擬積分器；3、信號處理電路；4、第一模擬 數位訊號轉換器；5、數字積分器；6、接口電路；7、保護通道；8、計量通道；9、第二模擬數字 信號轉換器；10、第一高通濾波器；11、累加器；12、第二高通濾波器；U21、運算放大器；R21、 第一電阻；R22、第二電阻；R23、第三電阻；R24、第四電阻；C21、第一電容；C22、第二電容。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1所示本發明基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，由下述結構 構成羅氏線圈1，用於向低頻增益平坦化模擬積分器2輸出的暫態信號和向信號處理電路 3輸出穩態信號；低頻增益平坦化模擬積分器2，用於處理羅氏線圈1輸出的暫態信號，與 羅氏線圈1和信號處理電路3相連；信號處理電路3，用於處理低頻增益平坦化模擬積分器 2的輸出信號，並對羅氏線圈1的輸出穩態信號進行數字積分處理，處理後的信號通過輸出 接口電路6向保護通道7和計量通道8數據送出。如圖2所示低頻增益平坦化模擬積分器2由下述結構構成運算放大器U21，運算 放大器U21的同相端與第二電阻R22 —端相連，第二電阻R22的另一端接地；第一電阻R21 連在羅氏線圈1和運算放大器U21的反相端之間；第三電阻R23和第四電阻R24串聯後連 接在運算放大器U21的反相端和輸出端之間；第一電容C21連接在運算放大器U21的反相 端和輸出端之間；第二電容C22連接在第三電阻R23和第四電阻R24的連接點與地之間。如圖3所示信號處理電路3由第一模擬數位訊號轉換器4、數字積分器5和接口電 路6組成；第一模擬數位訊號轉換器4用於將低頻增益平坦化模擬積分器2的輸出信號轉 換為數位訊號；數字積分器5將羅氏線圈1的輸出信號進行數字積分；接口電路6將數字積 分器5的輸出和第一模擬數位訊號轉換器4的輸出送至計量通道8和保護通道7。如圖4所示的數字積分器5，由第二模擬數位訊號轉換器9、第一高通濾波器10、第 二高通濾波器12和累加器11構成；第二模擬數位訊號轉換器9分別與羅氏線圈1和第一 高通濾波器10相連；累加器11分別與第一高通濾波器10和第二高通濾波器12相連；第二 高通濾波器12與輸出接口電路6相連。運算放大器U21採用的Analog Device公司的0P27 ；第一電阻R21的阻值為100 kQ，第二電阻R22阻值為80 kQ，第三電阻R23和第四電阻R24的阻值為250 kQ，上述電 阻的溫度係數均小於10X10_7°C。第一電容C21的容值為39nF，第二電容C22的容值為 1. 5 μ F。第一模擬數位訊號轉換器4採用的Analog Device公司的AD7663，接口電路6採 用的是美國Altera公司的EP1C6。第二模擬數位訊號轉換器9採用的Analog Device公司的AD7663，第一高通濾波 器10、第二高通濾波器12和累加器11採用美國TI公司TMS320F2407實現，採用的實現算 法是復化辛普森公式，其差分方程為
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羅氏線圈輸出的信號分別經過低頻增益平坦化模擬積分器2和數字積分器5處理後，再由輸出接口電路6分別提供給保護和計量設備，供電力系統繼電保護和電能計量所用。
權利要求
1.基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特徵在於由下述結構構成羅 氏線圈，用於向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態信號和向信號處理電路輸出穩態信 號；低頻增益平坦化模擬積分器，用於處理羅氏線圈輸出的暫態信號，與羅氏線圈和信號處 理電路相連；信號處理電路，用於處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號，並對羅氏線 圈的輸出穩態信號進行數字積分處理，處理後的信號通過輸出接口電路向保護通道和計量 通道數據送出。
2.根據權利要求1所述的基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特徵在 於所述的低頻增益平坦化模擬積分器由下述結構構成運算放大器，運算放大器的同相端 與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端接地；第一電阻連在羅氏線圈和運算放大器的 反相端之間；第三電阻和第四電阻串聯後連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第一 電容連接在運算放大器的反相端和輸出端之間；第二電容連接在第三電阻和第四電阻的連 接點和地之間。
3.根據權利要求1所述的基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特徵在 於所述的信號處理電路由第一模擬數位訊號轉換器、數字積分器和接口電路組成；第一模 擬數位訊號轉換器用於將低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號轉換為數位訊號；數字積 分器將羅氏線圈的輸出信號進行數字積分；接口電路將數字積分器的輸出和低頻增益平坦 化模擬積分器的輸出送至計量通道和保護通道。
4.根據權利要求3所述的基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路，其特徵在 於所述的數字積分器，由第二模擬數位訊號轉換器、第一高通濾波器、第二高通濾波器和累 加器構成；第二模擬數位訊號轉換器分別與羅氏線圈和第一高通濾波器相連；累加器分別 與第一高通濾波器和第二高通濾波器相連；第二高通濾波器與輸出接口電路相連。
全文摘要
本發明涉及一種基於羅氏線圈的電子式電流互感器用積分器電路。由下述結構構成羅氏線圈，用於向低頻增益平坦化模擬積分器輸出的暫態信號和向信號處理電路輸出穩態信號；低頻增益平坦化模擬積分器，用於處理羅氏線圈輸出的暫態信號，與羅氏線圈和信號處理電路相連；信號處理電路，用於處理低頻增益平坦化模擬積分器的輸出信號，並對羅氏線圈的輸出穩態信號進行數字積分處理，處理後的信號通過輸出接口電路向保護通道和計量通道數據送出。本發明的優點是既能實現對穩態信號的高準確度測量，又能實現對暫態信號的快速響應，採用一個羅氏線圈，能夠同時提供出保護和計量兩個通道測量數據，並具有很好的溫度穩定性和抗振動特性。
文檔編號G01R15/18GK102128966SQ201110004220
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者劉海濤, 楊賀翔, 林貴文, 邱斌, 龔立群 申請人:瀋陽互感器有限責任公司