CN102608378A - 一种电子式电容分压器的转换装置 - Google Patents

Abstract

一种电子式电容分压器的转换装置，包括：依次互相连接的输入保护单元、放大单元、补偿单元、移相积分单元和跟随单元，其中输入保护单元的输入端接入电子式电容分压器的测得的信号，补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，与该补偿单元的另一输入端接入的信号进行加或减的信号控制，跟随单元输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。应用本发明，解决了在环境和温度等外界因素干扰的情况下，电子式电容分压器的输出信号可以保证精度的问题。

Description

一种电子式电容分压器的转换装置

技术领域

本发明涉及电器设备，尤其涉及一种电子式电容分压器的转换装置。

背景技术

目前电力系统中使用的分压器有多种，如电磁式电压互感器、电容式电压互感器、试验室的传统工频电压分压器和利用光学器件作为传感器的光电式电压传感器等。近几年随着我国智能电网的快速发展，采用等效电容分压的电子式电压互感器已经越来越多的应用到数字化变电站之中。

采用电容分压测量电压，由于电容上的电压不能突变，直接电容分压得到的二次电压暂态响应不好，测量精度不高。尤其是在高压侧出现短路和断路故障时，存储在各个电容中的能量只能通过负载释放，导致其暂态过程时间变长，产生较大的基波电压幅值误差，给继电保护的正确动作带来不利影响。国标中规定了电子式电压互感器的模拟量标准输出值，电子式电压互感器输出的额定值为：1.625V、2V、3.25V、4V、6.5/√3V，或是这些值的1/√3。为了使得输出信号的幅值和相角误差符合精度要求，这就需要一个转换电路和电容分压器进行配合使用。该转换电路需要改善电容分压器的暂态响应特性。

在电磁式互感器中，一般采用电力电容器，而在电子式电压互感器不采用电力电容器，而采用等效电容器。这个等效电容分压器需要附加一个转换电路装置来调整输出信号幅值和相角，满足数字化电站发展的需要。

因此，当前需要一种电子式电容分压器的转换装置的技术方案来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电子式电容分压器的转换装置，解决了在环境和温度等外界因素干扰的情况下，电子式电容分压器的输出信号可以保证精度的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电子式电容分压器的转换装置，包括：依次互相连接的输入保护单元、放大单元、补偿单元、移相积分单元和跟随单元，其中输入保护单元的输入端接入电子式电容分压器的测得的信号，补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，与该补偿单元的另一输入端接入的信号进行加或减的信号控制，跟随单元输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

进一步地，上述装置还可包括：所述输入保护单元包括多个阻抗单元、多个二极管单元和瞬态抑制二极管单元，对输入的电子式电容分压器的测得的信号进行调整。

进一步地，上述装置还可包括：所述输入保护单元包括3个电阻、2个二极管和一瞬态抑制二极管，其中第一电阻的一端作为输入保护单元的输入端，用于接入电子式电容分压器的测得的信号，第一电阻的另一端连接所述放大单元的输入端，第一二极管的正极、瞬态抑制二极管的一端、第二电阻的一端和第三二极管的正极均接地，第一二极管的负极、瞬态抑制二极管的另一端、第二电阻的另一端、第三二极管的负极均与第一电阻的另一端连接，第三二极管的负极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极与第二电阻的另一端连接。

进一步地，上述装置还可包括：所述放大单元包括多个运算放大单元和多个阻抗单元，通过多个运算放大器单元进行输入信号的放大或缩小，并通过多个阻抗单元进行幅值调整。

进一步地，上述装置还可包括：所述放大单元包括2个运算放大器、2个电阻和一可变电阻，其中第一运算放大器的反相输入端作为输入端，连接所述第一电阻的另一端，第一运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接第三电阻的一端，第四电阻的一端、第二运算放大器的反相输入端均与第三电阻的另一端连接，第二运算放大器的同相输入端接地，第四电阻的另一端与第一可变电阻的一端连接，第一可变电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端。

进一步地，上述装置还可包括：所述补偿单元包括4个电阻和一运算放大器，其中第五电阻的一端与放大单元的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端、第八电阻的一端均与第五电阻的另一端连接，第八电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，第六电阻的一端、第七电阻的一端均与第三运算放大器的同相输入端连接，第六电阻的另一端作为补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，第七电阻的另一端接地。

进一步地，上述装置还可包括：所述移相积分单元包括阻抗单元、多个容抗单元和运算放大单元，对输入信号相角的大小进行调整。

进一步地，上述装置还可包括：所述移相积分单元包括4个电容、一运算放大器、一电阻和一可变电阻，其中第九电阻的一端连接补偿单元的输出端，第一电容的一端、第二电容的一端和第二可变电阻的一端均与第九电阻的另一端连接，第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的反相输入端连接，同时第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的同相输入端、第三电容的一端和第四电容的一端均与第二可变电阻的另一端连接，第三电容的另一端和第四电容的另一端均接地。

进一步地，上述装置还可包括：所述跟随单元包括多个阻抗单元、容抗单元和运算放大单元，提高转换装置的带载能力。

进一步地，上述装置还可包括：所述跟随单元包括2个电阻、一运算放大器和一电容，其中第十电阻的一端连接移相积分单元的输出端，第十电阻的另一端连接第五运算放大器的同相输入端，第五运算放大器的反相输入端与第五运算放大器的输出端连接，第五运算放大器的输出端连接第十一电阻的一端，第五电容的一端接地，第十一电阻的另一端连接第五电容的另一端并输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

与现有技术相比，应用本发明，本转换装置结构简单，抗干扰，稳定性好；保障输出信号精度高，受外界环境影响小，其中使用环境温度范围大，可以在+85℃--60℃的环境中使用。

附图说明

图1是本发明中所应用的电子式电容分压器的原理结构图；

图2是本发明中电子式电容分压器的转换装置的结构示意图；

图3是本发明的转换装置的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的转换装置，可以考虑对电容分压的基本原理进行改进，在低压电容两端并联一个精密取样电阻R，这样电容分压器的输出电压正比于被测电压对时间的微分，引入电阻R后，电容分压器就是一个相位超前环节，加一个积分环节就可以测量出一次电压。从理论上讲，通过取样电阻的选择，可以实现对不同电压等级的电压传感，而无需改变分压电容的设置。但是考虑到取样电阻R变大会增大响应时间，故R也不宜取得过大。当线路短路或断路故障出现时，存储在电容分压器中的能量可以通过并联在低压侧分压电容上的电阻R快速释放，从而对输电线路上的电压变化实现快速响应跟踪测量，其中需要增加的是一个积分环节。

电子式电容分压器很容易受外界的温度变化而影响输出信号的精度，这是电子式电容分压器的普遍现象，本转换装置设计了温度补偿，经过形成样机试验和产品长期运行，证明温度补偿准确；而且转换电路长期运行稳定。本发明的电子式电容分压器按照国标设计的，输出信号为模拟量。按照国标GB/T20840.7-2007电子式电压互感器的规定，电子式电压互感器输出的额定值为：1.625V、2V、3.25V、4V、6.5/√3V，或是这些值的1/√3。

如图1所示，本发明的转换装置直接与电子式电容分压器的输出相连接，转换装置的输出信号与继电保护和测量仪表相连接，其中C1是高压电容器；C2是低压电容器。转换装置的框图如图2所示，电路包括输入保护单元201、放大单元202、补偿单元203、移相积分单元204和跟随单元205。

转换装置的具体结构如图3所示，R1、R2、D1、D2、D3和TVS(瞬态抑制二极管)组成输入保护单元，信号输入经过这个环节，进行初步调整。电路运行时，一次侧产生的高电压脉冲经过这个环节滤掉，保护后面的电路环节。IC1、IC2、组成放大单元(可以对输入信号进行放大或缩小)，输入信号的大小经过这个环节的R3、R4和W1进行幅值调整。R5、R6、R7、R8和IC3组成补偿单元，外界环境温度的扰动，会对电容分压器的输出变比有很大的影响，通过Vin2输入测温补偿信号与原信号进行加或减，来保证输出信号不变。R9、C1、C2、C3、C4、W2和IC4组成移相积分单元，输入信号的相角大小经过这个环节的C1、C2、C3、C4和W2进行调整。R10、R11、IC5和C5组成跟随单元，这个环节可以提高电路的带载能力。Vin1和Vout分别是转换电路的输入和输出端子。本发明的转换装置中电阻、电容和运放等元器件都采用工业级设计，使得本转换装置运行更稳定，精度高。

本发明的电子式电容分压器的转换装置，包括：依次互相连接的输入保护单元、放大单元、补偿单元、移相积分单元和跟随单元，其中输入保护单元的输入端接入电子式电容分压器的测得的信号，补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，与该补偿单元的另一输入端接入的信号进行加或减的信号控制，跟随单元输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

所述输入保护单元包括多个阻抗单元、多个二极管单元和瞬态抑制二极管单元，对输入的电子式电容分压器的测得的信号进行调整。

所述输入保护单元包括3个电阻、2个二极管和一瞬态抑制二极管，其中第一电阻的一端作为输入保护单元的输入端，用于接入电子式电容分压器的测得的信号，第一电阻的另一端连接所述放大单元的输入端，第一二极管的正极、瞬态抑制二极管的一端、第二电阻的一端和第三二极管的正极均接地，第一二极管的负极、瞬态抑制二极管的另一端、第二电阻的另一端、第三二极管的负极均与第一电阻的另一端连接，第三二极管的负极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极与第二电阻的另一端连接。

所述放大单元包括多个运算放大单元和多个阻抗单元，通过多个运算放大器单元进行输入信号的放大或缩小，并通过多个阻抗单元进行幅值调整。

所述放大单元包括2个运算放大器、2个电阻和一可变电阻，其中第一运算放大器的反相输入端作为输入端，连接所述第一电阻的另一端，第一运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接第三电阻的一端，第四电阻的一端、第二运算放大器的反相输入端均与第三电阻的另一端连接，第二运算放大器的同相输入端接地，第四电阻的另一端与第一可变电阻的一端连接，第一可变电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端。

所述补偿单元包括4个电阻和一运算放大器，其中第五电阻的一端与放大单元的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端、第八电阻的一端均与第五电阻的另一端连接，第八电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，第六电阻的一端、第七电阻的一端均与第三运算放大器的同相输入端连接，第六电阻的另一端作为补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，第七电阻的另一端接地。

所述移相积分单元包括阻抗单元、多个容抗单元和运算放大单元，对输入信号相角的大小进行调整。

所述移相积分单元包括4个电容、一运算放大器、一电阻和一可变电阻，其中第九电阻的一端连接补偿单元的输出端，第一电容的一端、第二电容的一端和第二可变电阻的一端均与第九电阻的另一端连接，第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的反相输入端连接，同时第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的同相输入端、第三电容的一端和第四电容的一端均与第二可变电阻的另一端连接，第三电容的另一端和第四电容的另一端均接地。

所述跟随单元包括多个阻抗单元、容抗单元和运算放大单元，提高转换装置的带载能力。

所述跟随单元包括2个电阻、一运算放大器和一电容，其中第十电阻的一端连接移相积分单元的输出端，第十电阻的另一端连接第五运算放大器的同相输入端，第五运算放大器的反相输入端与第五运算放大器的输出端连接，第五运算放大器的输出端连接第十一电阻的一端，第五电容的一端接地，第十一电阻的另一端连接第五电容的另一端并输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

本转换装置中的运算放大器IC1-IC5均为OP07，工业级精密仪表放大器；C1、C2、C3和C4均为0.01uF；R1的阻值是50K，R2的阻值是1K，D1、D2、D3为二极管，型号是1N4735，TVS是双端稳压6V，R3的阻值是5K，R4的阻值是10K，W1的阻值是10K，R5、R6、R7、R8的阻值都是1K，R9、R10和R11的阻值都是5K，W2的阻值是10K，C5的值为0.1uF。本装置具有以下特点：

①结构简单，抗干扰，稳定性好；

②输出信号精度高，受外界环境影响小；

③使用环境温度范围大，可以是+85℃--60℃。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电子式电容分压器的转换装置，其特征在于，包括：依次互相连接的输入保护单元、放大单元、补偿单元、移相积分单元和跟随单元，其中输入保护单元的输入端接入电子式电容分压器的测得的信号，补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，与该补偿单元的另一输入端接入的信号进行加或减的信号控制，跟随单元输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述输入保护单元包括多个阻抗单元、多个二极管单元和瞬态抑制二极管单元，对输入的电子式电容分压器的测得的信号进行调整。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述输入保护单元包括3个电阻、2个二极管和一瞬态抑制二极管，其中第一电阻的一端作为输入保护单元的输入端，用于接入电子式电容分压器的测得的信号，第一电阻的另一端连接所述放大单元的输入端，第一二极管的正极、瞬态抑制二极管的一端、第二电阻的一端和第三二极管的正极均接地，第一二极管的负极、瞬态抑制二极管的另一端、第二电阻的另一端、第三二极管的负极均与第一电阻的另一端连接，第三二极管的负极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极与第二电阻的另一端连接。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述放大单元包括多个运算放大单元和多个阻抗单元，通过多个运算放大器单元进行输入信号的放大或缩小，并通过多个阻抗单元进行幅值调整。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述放大单元包括2个运算放大器、2个电阻和一可变电阻，其中第一运算放大器的反相输入端作为输入端，连接所述第一电阻的另一端，第一运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端连接第三电阻的一端，第四电阻的一端、第二运算放大器的反相输入端均与第三电阻的另一端连接，第二运算放大器的同相输入端接地，第四电阻的另一端与第一可变电阻的一端连接，第一可变电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述补偿单元包括4个电阻和一运算放大器，其中第五电阻的一端与放大单元的输出端连接，第三运算放大器的反相输入端、第八电阻的一端均与第五电阻的另一端连接，第八电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，第六电阻的一端、第七电阻的一端均与第三运算放大器的同相输入端连接，第六电阻的另一端作为补偿单元的一输入端接入测温补偿信号，第七电阻的另一端接地。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述移相积分单元包括阻抗单元、多个容抗单元和运算放大单元，对输入信号相角的大小进行调整。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述移相积分单元包括4个电容、一运算放大器、一电阻和一可变电阻，其中第九电阻的一端连接补偿单元的输出端，第一电容的一端、第二电容的一端和第二可变电阻的一端均与第九电阻的另一端连接，第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的反相输入端连接，同时第一电容的另一端、第二电容的另一端均与第四运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的同相输入端、第三电容的一端和第四电容的一端均与第二可变电阻的另一端连接，第三电容的另一端和第四电容的另一端均接地。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述跟随单元包括多个阻抗单元、容抗单元和运算放大单元，提高转换装置的带载能力。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，

所述跟随单元包括2个电阻、一运算放大器和一电容，其中第十电阻的一端连接移相积分单元的输出端，第十电阻的另一端连接第五运算放大器的同相输入端，第五运算放大器的反相输入端与第五运算放大器的输出端连接，第五运算放大器的输出端连接第十一电阻的一端，第五电容的一端接地，第十一电阻的另一端连接第五电容的另一端并输出最终转换后的电子式电容分压器测得的信号。

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