CN102128972A - 宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置 - Google Patents

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宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特征在于该传感器装置依次由传感器(1)、接地电阻(2)、电压跟随器(3)、积分电路(4)、反相放大电路(5)、滤波电路(6)、过压保护电路(7)和阻抗匹配电路(8)连接组成信号电路(9),信号电路(9)通过传输电缆(11)与PCI采集卡连接,滤波电路(6)又经触发电路(10)通过传输电缆(12)与PCI采集卡连接,传感器(1)为高频电流磁平衡霍尔传感器,其频带特性选择在DC~500kHz(-3dB),负载阻抗选择在50~160Ω之间,工作电压为DC12V。本发明的设计仅包括一些电子元件,成本更加低廉,而且体积更小,不需要考虑占地空间,在现场的安装也更加方便。

Description

宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置
技术领域
本发明是一种宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,用于电网中对于瞬变电压的实时监测和捕捉,属于电能质量瞬变电压检测技术领域。
背景技术
随着电网容量的扩大和各种非线性负荷的增加,电网变得更为复杂,新的问题不断增多,这给电力系统中的事故分析和判断带来困难。暂态(瞬态)电压扰动是指电源电压的正弦波形受到暂态(瞬态)的电压扰动而发生畸变,引起电能质量的污染的各种问题。暂态电能质量问题是以频谱和暂态持续时间为特征的,一般分为脉冲暂态和振荡暂态两种类型。电力系统中常常因为雷电、开关操作和各种瞬变负载(如高速机车)等导致电网中的能量波动而导致各种瞬变电压的出现,这类电压通常持续时间很短,可达到微秒级,对于各种电力设备绝缘和各种二次电子设备带来危害。现有的故障录波和电能质量监测设备因为频率响应不够,对很多事故原因难以查明。
目前的测量方法主要是通过PT(电压互感器)获取瞬变电压,然后将低压信号采集并进行分析。中国专利200610095191“高压电网内外过电压综合在线监测装置及方法”,其技术特征在于:电压传感器设置在高压电网的容性设备处,其输入端与高压电网的容性设备的接地端固定连接。该方法结构简单,然而有以下不足:(1)PT的频带较窄,通常为20kHz左右,难以获取瞬变电压的高频部分;(2)普通的电能质量分析仪采样率低800Hz,因此难以获取高频瞬变电压,尤其是对于一些电网中的瞬间电压过程,如高速机车(瞬变负荷),雷电等过程难以捕捉;(3)可能引起末屏接地线断线,造成末屏放电。
实用新型专利02262284.5“GIS中快速瞬态电压测量用传感器”,其特征在于:该传感器由高压臂电容和低压臂电容串联构成电容分压器,两者的连接点作为输出端,信号经辅助电路及传输电缆传输后进行数据采集分析。但是上述技术的不足之处在于:在高压电网中,将分压器长期并联于母线运行将会给系统带来很多潜在的风险。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特点是不仅可以获取高频瞬变电压,而且可以用于测量低频成分,捕捉到工频正弦电压的相位,这对于事故分析很有意义。它具有技术先进、安全可靠、频率响应宽的优点。
本发明的目的由以下技术措施实现:
宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,依次由传感器、接地电阻、电压跟随器、积分电路、反相放大电路、滤波电路、过压保护电路和阻抗匹配电路连接组成信号电路,信号电路通过传输电缆与PCI采集卡连接,滤波电路又经触发电路通过传输电缆与PCI采集卡连接。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器是高频电流磁平衡霍尔传感器,其频带特性选择在DC~500kHz(-3dB),负载阻抗选择在50~160Ω之间,工作电压为DC12V。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路的积分电路运放A2同相输入端通过输入电阻R2与电压跟随器A1输出端连接。积分电容C1两端分别连接其同相输入端和接地。运放A2反相输入端通过电阻R4接地。运放A2输出端并联两个反馈电阻R3、R5,R3、R5分别与同相输入端和反相输入端连接。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路的反相放大电路运放A3反相输入端通过电阻R6与积分电路输出端连接,同相输入端与接地电阻R7连接,输出端通过反馈电阻R8与反相输入端连接。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路的滤波电路是一种具有正相增益的二阶有源低通滤波电路,运放A4和其两个连接电阻R9、R10形成一个电压控制电压源,C2,C3为滤波电容,和R9、R10共同控制低通滤波器的截止频率。运放A4反相输入端通过R11接地,输出端通过反馈电阻R12与反相输入端连接。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路的过压保护电路稳压管由两个02BZ2.2二极管D1、D2反相并联而成。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路的阻抗匹配电路匹配电阻R13选择为50Ω。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置的触发电路首先通过电压跟随器A5把分压器阻抗和触发电路完全隔离起来,并通过两串联电阻R14、R15分压后输入到双比较器LM319。比较器双端输出通过逻辑或门进入采集卡的外触发通道启动采样。双比较器参考电压±VDDA可以通过滑动电阻R16、R17调节。
所述的宽频积分式电网瞬变电压监测传感器辅助电路采用12V开关电源供电。
所述的传输电缆为50Ω同轴电缆。
本发明具有如下优点:
1.安全、可靠。利用霍尔传感器对高压信号进行采样,实现了完全隔离测量,而且传感器的穿孔结构,无插入损耗,又具有测量精度高,线性电流输出,体积小,重量轻的优点,使装置更加安全可靠。
2.频带宽。普通的电磁式电流传感器在低频响应特性,尤其频率低于50Hz时有较大的衰减,这样对测量低频电压有较大误差。而且对于很多的暂态电压,如雷电波,有直流分量和低频分量,这种传感器对于此类波形的测量是有衰减的。本发明利用霍尔传感器可以测量DC-高频的特性保证了暂态电压的精度,而且采用有源积分的方式,也保证了传感器的低频特性,从而实现了对瞬态电压在较宽频带下的测量。
3、成本低、体积小、易安装。相对于设计分压器,本发明的设计仅包括一些电子元件,成本更加低廉,而且体积更小,不需要考虑占地空间,在现场的安装也更加方便。
附图说明
图1为宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置结构示意图;
1.传感器  2.接地电阻  3.电压跟随器  4.积分电路  5.反相放大电路  6.滤波电路  7.过压保护电路  8.阻抗匹配电路  9.信号电路  10.触发电路  11.传输电缆  12.传输电缆
图2为宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置信号电路原理图;
图3为宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置触发电路原理图;
图4为输入的电压脉冲波形及传感器输出的电压脉冲波形图;
图5为实际采样瞬变电压稳态波形图;
图6为实际采样瞬变电压放大后的暂态波形图;
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述:有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例
如图1所示,将电力系统的容性设备串入高频电流磁平衡霍尔传感器1(频带特性:DC~500kHz(-3dB),工作电压:DC12V,负载阻抗:100Ω)。霍尔传感器1与电网相电流耦合。传感器1输出端依次由接地电阻2、电压跟随器3、积分电路4、反相放大电路5、滤波电路6、过压保护电路7和阻抗匹配电路8连接组成信号电路9,信号电路9通过传输电缆11与PCI采集卡连接,滤波电路6又经触发电路10通过传输电缆12与PCI采集卡外触发通道连接。传输电缆11-12为50Ω同轴电缆。上述电路采用12V开关电源供电。根据现场环境适当调整电路参数,由于瞬变电压波波头较陡,辅助电路中尽量用电感小的元件以减小振荡,如图2、图3所示。
高频电流磁平衡霍尔传感器对电网相电流取样后,输出的瞬变电压的低压电流信号通过有源积分、反相放大、滤波电路处理后,信号分成两路分别进入过压保护电路7和触发电路10。过压保护电路和阻抗匹配电路主要功能是实现钳压、阻抗匹配等功能;触发电路10的主要功能是把模拟信号转换成标准数字电平启动PCI卡进行采样,其触发电平可以调节,正负极性电压均可触发。一路信号经过压保护电路7和阻抗匹配电路8,然后通过传输电缆11进入PCI采集卡;另一路信号进入触发电路10,通过电压跟随器阻抗隔离后输入到比较逻辑电路,再经过高速光电隔离器,最后通过传输电缆12输入到采集卡的外触发通道启动采样。
图4中分别给出了输入的电压脉冲波形及传感器输出的电压脉冲波形,该波形的上升和下降时间均为微秒级的暂态过程,可以看到,在该脉冲波形的上升和下降过程没有出现明显的衰减和振荡过程,波形没有畸变,因此该传感器能很好地对暂态电压进行传感和测量。
采用宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置实际采样得到瞬变电压波形图,如图5、图6所示。根据两图,可以观察到叠加在工频电压上的瞬变电压波形,如图5所示。将该波形展开后,可以观察到微秒级的暂态过电压波形,如图6所示。因此该传感器具有良好的高频响应,能准确地反映电力系统中的电压暂态过程。

Claims (4)

1.宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特征在于该传感器装置依次由传感器(1)、接地电阻(2)、电压跟随器(3)、积分电路(4)、反相放大电路(5)、滤波电路(6)、过压保护电路(7)和阻抗匹配电路(8)连接组成信号电路(9),信号电路(9)通过传输电缆(11)与PCI采集卡连接,滤波电路(6)又经触发电路(10)通过传输电缆(12)与PCI采集卡连接。
2.如权利要求1所述宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特征在于传感器(1)为高频电流磁平衡霍尔传感器,其频带特性选择在DC~500kHz(-3dB),负载阻抗选择在50~160Ω之间,工作电压为DC12V。
3.如权利要求1所述宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特征在于信号电路(9):
(1)积分电路运放A2同相输入端通过输入电阻R2与电压跟随器A1输出端连接,积分电容C1两端分别连接其同相输入端和接地,运放A2反相输入端通过电阻R4接地,运放A2输出端并联两个反馈电阻R3、R5,R3、R5分别与同相输入端和反相输入端连接;
(2)反相放大电路运放A3反相输入端通过电阻R6与积分电路输出端连接,同相输入端与接地电阻R7连接,输出端通过反馈电阻R8与反相输入端连接;
(3)滤波电路是一种具有正相增益的二阶有源低通滤波电路,运放A4和其两个连接电阻R9、R10形成一个电压控制电压源,C2,C3为滤波电容,和R9、R10共同控制低通滤波器的截止频率,运放A4反相输入端通过R11接地,输出端通过反馈电阻R12与反相输入端连接;
(4)过压保护电路稳压管由两个02BZ2.2二极管D1、D2反相并联而成;
(5)阻抗匹配电路匹配电阻R13选择为50Ω。
4.如权利要求1所述宽频积分式电网瞬变电压监测传感器装置,其特征在于触发电路首先通过电压跟随器A5把分压器阻抗和触发电路完全隔离起来,并通过两串联电阻R14、R15分压后输入到双比较器LM319,比较器双端输出通过逻辑或门进入采集卡的外触发通道启动采样,双比较器参考电压±VDDA通过滑动电阻R16、R17调节。
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