CN102967742A - 宽电流检测范围的电子互感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽电流检测范围的电子互感器，包括罗氏线圈、低通滤波器、积分器、运算放大器、模数转换器、微处理器、反馈电阻、电子开关以及固定电阻。本发明采用罗氏线圈作为电流检测元件，根据被检测的电流大小不同使用电子开关有级调节串联反馈电阻网络的电阻值来改变电子互感器运算放大器的增益，使得电子互感器的模数转换器工作在既不饱和溢出又能同时高精度检测正常工作电流和故障电流，具有电流检测范围宽、精度高、成本低的优点。

Description

宽电流检测范围的电子互感器
技术领域
本发明属于电子互感器技术领域，具体涉及一种电力行业用宽电流检测范围的电子互感器。
背景技术
智能电网要求从发电、输电到配电的整个电网，包括系统和元器件可靠、安全，能够保证供电的连续性、安全性，这对电力行业也提出了更高的要求。包括美国在内的工业化国家正在集合企业和研究机构的力量，加强智能技术攻关和成果推广，积极推动智能设备、智能家电等研发和应用。在国际大电网会议上，国家电网公司提出建设坚强统一智能电网的规划，其中智能化变电站的建设和包括电子互感器在内的电力设备行业关系密切。目前将数字技术、在线监测技术、网络通讯技术等智能技术的集成已经发展到较高水平，其中，罗氏线圈具有线性度好、稳定性高、信号检出电路简单等优点，基于罗氏线圈的电流互感器是目前技术最为成熟的电子式互感器。在电力系统中电子互感器面临着较高的要求，正常工作时电流都长期在额定值以下，但电力系统经常会遇到各种各样的故障，一旦发生电力系统故障，电子互感器要求能及时检测到故障电流并输入到保护系统，使保护系统尽快切除故障线路并恢复电力系统正常运行状态。尽管罗氏线圈具有很大范围的线性电流检测能力，但是电子互感器需要采用模数转换器将罗氏线圈的输出信号转换为数字信号，当被检测电流过大时，将使模数转换器转换结果溢出，如果降低模数转换器前级运算放大器的增益，尽管能够扩大电流检测范围，但是将造成额定电流以下时模数转换器输入信号过小，由于模数转换器的分辨率是固定不变的，因此过小的输入信号必然导致电子互感器的检测精度下降。为了化解上述矛盾，文献（仁稳柱，冯建华，何红，王璐，用于智能型断路器的电子式电流电压组合互感器，高压电器，47（5），2011和苏育均，任晓，方春恩，董恩源，李伟，余建华，侯祥玉，10kV电子式电流互感器研究，变压器，48（12），2011）提出组合式电子互感器的方案，采用两个独立的电流互感器分别用来测量和保护用电流的检测。但这种方法成本高，体积大，对保护用电流互感器来说，受到模数转换器量程的限制，罗氏线圈电流检测的精度依旧受到较大限制。
发明内容
本发明针对现有电子互感器存在的电流检测精度、量程等问题，提供一种电流检测范围宽、精度高、成本低的电子电流互感器。
技术方案：一种宽电流检测范围的电子互感器，包括罗氏线圈、低通滤波器、积分器、运算放大器、模数转换器、微处理器、反馈电阻、电子开关以及固定电阻，所述的罗氏线圈的输出信号经低通滤波器和积分器处理后输入到运算放大器，所述的运算放大器外部设有反馈电阻和固定电阻，n个反馈电阻与固定电阻串联连接，其中n≥1，反馈电阻串联后形成的电阻网络与电子开关连接，电子开关的控制端口与微处理器的输出口连接，运算放大器的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器的输出端与微处理器的数据口连接。
本发明的宽电流检测范围的电子互感器使用反馈电阻和固定电阻串联连接后组成运算放大器的增益调整电阻网络，当被检测电流小于等于额定值时，电子开关与反馈电阻并接的所有接点闭合，全部反馈电阻被切除，此时串接的电阻阻值最小和对应的运算放大器的放大倍数最大，根据运算放大器的参数和输入信号选择固定电阻的阻值，使得额定的检测电流所对应的运算放大器输出信号Vout略小于模数转换器的输入满量程。
本发明的宽电流检测范围的电子互感器给模数转换器的转换结果设置门限上值，该门限上值的取值在额定电流所对应的模数转换器转换结果和模数转换器输出满量程之间，微处理器对模数转换器的转换结果进行检测和分析，若该转换结果超过门限上值，则电子开关的第一级开关接点断开，反馈电阻RF1和固定电阻串接后给运算放大器提供的增益电阻阻值增大，运算放大器的增益降低；微处理器继续对模数转换器的转换结果进行检测，并依次断开反馈电阻RF2、RF3…RFn并接的电子开关接点，直至转换结果小于门限上值。
本发明中的宽电流检测范围的电子互感器给模数转换器的转换结果设置门限下值，微处理器对模数转换器的转换结果进行检测和分析，若该转换结果小于门限下值，电子开关的开关接点依序号从大到小的顺序逐级闭合，增益电阻阻值减小，运算放大器的增益增大，微处理器对模数转换器的转换结果进行检测，直至转换结果大于门限下值。
本发明中根据运算放大器型号和接线方式的不同，电子开关采用并接接点闭合的方式逐级切除反馈电阻，当被检测电流超过额定值时，通过减小与固定电阻串接的反馈电阻值而使运算放大器的增益减小，扩大电流的检测范围。
有益效果：本发明采用罗氏线圈作为电流检测元件，根据被检测的电流大小不同使用电子开关有级调节串联反馈电阻网络的电阻值来改变电子互感器运算放大器的增益，使得电子互感器的模数转换器工作在既不饱和溢出又能同时高精度检测正常工作电流和故障电流，具有电流检测范围宽、精度高、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的微处理器控制流程图。
图3为本发明的典型实例图。
图中有：罗氏线圈1、低通滤波器2、积分器3、运算放大器4、模数转换器5、反馈电阻6、电子开关7、微处理器8、固定电阻9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
由图1可见，一种宽电流检测范围的电子互感器，包括罗氏线圈1、低通滤波器2、积分器3、运算放大器4、模数转换器5、微处理器8、反馈电阻6、电子开关7以及固定电阻9，所述罗氏线圈1的输出信号经低通滤波器2和积分器3处理后输入到运算放大器4，所述运算放大器4外部设有反馈电阻6和固定电阻9，n个反馈电阻6与固定电阻9串联连接，其中n≥1，所述反馈电阻6串联后形成的电阻网络与电子开关7连接，电子开关7的控制端口与微处理器8的输出口连接，运算放大器4的输出端与模数转换器5输入端连接，模数转换器5的输出端与微处理器8的数据口连接。
由图2可见，宽电流检测范围的电子互感器的微处理器控制流程，上电初始化后令变量i等于0，电子开关全部接点闭合，所有串接反馈电阻被短路，此时运算放大器接入的增益电阻阻值最小（仅为固定电阻RF的阻值），对应的运算放大器增益最大；微处理器读取模数转换器结果并进行越限判别，如果没有超越门限上值和门限下值，则保存当前i值并据此计算实际被检电流值；进行是否超越门限上值判别，如果模数转换结果超越门限上值，将i变量增加1后判断是否小于等于n（n≥1），若否，则判断被检电流超过量程，输出溢出报警，若是，则断开电子开关第i级接点，即将所对应的i级串接反馈电阻RFi投入工作，增益电阻阻值增大和对应的运算放大器增益减小，重新读取模数转换结果，重复前面越限判别步骤，直至模数转换结果不超越门限上值；进行是否超越门限下值判别，如果模数转换结果超越门限下值，将i变量减去1后判断是否大于等于1，若是，则闭合电子开关第i级接点，即将所对应的i级串接反馈电阻RFi断开，增益电阻阻值减小和对应的运算放大器增益增大，重新读取模数转换结果，重复前面越限判别步骤，直至模数转换结果不超越门限下值，若i变量小于1，则直接读取模数转换结果，保存当前i值并计算实际被检电流值。
由图3可见，三相电流电子互感器典型实例，罗氏线圈检测的电流信号经低通滤波和积分器之后转换为电压信号Vin接入到运算放大器同相和反相输入端之间，本实例运算放大器4采用运算放大器AD8221，该运算放大器4通过两引脚Rg1和Rg2外接增益调整用的反馈电阻6，且满足运算放大器增益
Figure BDA00002534679900041
本实例中使用反馈电阻6和固定电阻9串联而成外接增益调整电阻网络，电子开关7接点和反馈电阻RF1并接，当被检测电流不大于1.2倍额定电流时，电子开关接点闭合，反馈电阻RF1被短路，引脚Rg1和Rg2外接电阻仅剩固定电阻RF，AD8221的放大倍数最大，可使同等罗氏线圈输入的信号电压Vin获得尽可能大的输出信号Vout，由于模数转换器5的分辨率是固定不变的，较大的Vout信号电压可提高模数转换器5输出结果和电子互感器的精度；调整电路参数和固定电阻RF的阻值使被检电流为1.2×Ie（Ie为额定电流）时达到模数转换器5满量程点，则额定电流时模数转换结果为满量程的0.83倍，取门限上值为1.1×Ie所对应的模数转换结果，门限下值为0.1×Ie所对应的模数转换结果；当外界电路发生故障，罗氏线圈检测到故障电流，该电流视故障的类型、故障离检测点距离、故障严重程度等不同而不同，一般从2～3倍额定电流到10倍额定电流不等，该故障电流引起信号电压Vout上升并使模数转换器结果超过门限上值，微处理器8依据图2所示流程图作出判断并断开电子开关接点，反馈电阻RF1和固定电阻RF串接后使运算放大器AD8221增益下降，选取反馈电阻RF1的阻值使最大检测电流10×Ie所对应的模数转换结果达到满量程点，当微处理器检测到模数转换结果小于门限下值时闭合电子开关接点，反馈电阻RF1退出工作。由于本实例只使用单级电子开关接点实现运算放大器的高、低增益切换，在微处理器控制流程中可简化越门限判断流程，即当i为1时不需要越门限上限判别，当i为0时不需要越门限下限判别。本实例仅展开了A相电流检测通道，B相和C相电路检测通道与此类似。
本发明中，罗氏线圈作为电流检测部件，具有线性度高、结构简单的优点。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种宽电流检测范围的电子互感器，其特征在于：包括罗氏线圈（1）、低通滤波器（2）、积分器（3）、运算放大器（4）、模数转换器（5）、微处理器（8）、反馈电阻（6）、电子开关（7）以及固定电阻（9），所述罗氏线圈（1）的输出信号经低通滤波器（2）和积分器（3）处理后输入到运算放大器（4），所述运算放大器（4）外部设有反馈电阻（6）和固定电阻（9），n个反馈电阻（6）与固定电阻（9）串联连接，其中n≥1，所述反馈电阻（6）串联后形成的电阻网络与电子开关（7）连接，电子开关（7）的控制端口与微处理器（8）的输出口连接，运算放大器（4）的输出端与模数转换器（5）的输入端连接，模数转换器（5）的输出端与微处理器（8）的数据口连接。
2.根据权利要求1所述的宽电流检测范围的电子互感器，其特征在于：所述反馈电阻（6）和固定电阻（9）串联连接后组成运算放大器（4）的增益调整电阻网络，当被检测电流小于等于额定值时，电子开关（7）与反馈电阻（6）并接的所有接点闭合，全部反馈电阻（6）被切除，此时串接的电阻阻值最小和对应的运算放大器的放大倍数最大，根据运算放大器（4）的参数和输入信号选择固定电阻（9）的阻值，使得额定的检测电流所对应的运算放大器（4）输出信号略小于模数转换器（5）的输入满量程。
3.根据权利要求1所述的宽电流检测范围的电子互感器，其特征在于：所述模数转换器（5）的转换结果设置门限上值，该门限上值的取值在额定电流所对应的模数转换器（5）转换结果和模数转换器（5）输出满量程之间，微处理器（8）对模数转换器（5）的转换结果进行检测和分析，若该转换结果超过门限上值，则电子开关（7）的第一级开关接点断开，反馈电阻（6）和固定电阻（9）串接后给运算放大器（4）提供的增益电阻阻值增大，运算放大器（4）的增益降低；微处理器（8）继续对模数转换器（5）的转换结果进行检测，并依次断开反馈电阻（6）并接的电子开关接点，直至转换结果小于门限上值。
4.根据权利要求1所述的宽电流检测范围的电子互感器，其特征在于：所述模数转换器（5）的转换结果设置门限下值，微处理器（8）对模数转换器（5）的转换结果进行检测和分析，若该转换结果小于门限下值，电子开关（7）的开关接点依序号从大到小的顺序逐级闭合，增益电阻阻值减小，运算放大器（4）的增益增大，微处理器（8）对模数转换器（5）的转换结果进行检测，直至转换结果大于门限下值。
5.根据权利要求1所述的宽电流检测范围的电子互感器，其特征在于：根据运算放大器（4）型号和接线方式的不同，所述电子开关（7）采用并接接点闭合的方式逐级切除反馈电阻（6），当被检测电流超过额定值时，通过减小与固定电阻（9）串接的反馈电阻值而使运算放大器（4）的增益减小，扩大电流的检测范围。
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