CN103234653A

CN103234653A - 一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置

Info

Publication number: CN103234653A
Application number: CN2013101435947A
Authority: CN
Inventors: 陈玉国; 田卫东; 疏月霞; 陈瑞
Original assignee: Shandong Dachi Electric Co Ltd
Current assignee: Shandong Dachi Electric Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103234653B

Abstract

本发明属于电力变压器温度检测领域，特别公开了一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置。该信号转换装置，包括连接电力变压器内Pt100温度传感器的线路，其特征在于：所述线路上安装雷电保护电路和Pt100温度采集电路，Pt100温度采集电路和非线性补偿电路相互连通，非线性补偿电路连通4~20mA电流产生电路，AC-DC电源电路分别连通非线性补偿电路和4~20mA电流产生电路。本发明抗干扰能力强，装置内部采取了多项雷电保护措施，能抑制来自信号线以及电源线上的感应雷电波，具备雷电冲击自恢复功能。

Description

一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置

（一）技术领域

本发明属于电力变压器温度检测领域，特别涉及一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置。

（二）背景技术

电力变压器配备温度检测装置能有效防止变压器因温度过高而引发事故，同时还能促进对变压器使用的科学管理，从而有效延长变压器的使用寿命。目前，电力变压器的温度检测传感器大都采用Pt100铂电阻温度传感器。金属铂的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的这种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率约为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200~650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。

Pt100传感器就是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的温度传感器，Pt100是一种广泛应用的温度测量元件,在-200℃~600℃的范围内具有精度高、稳定性好等优点。

Pt100的温度/阻值对应关系为：（1）-200℃<t<0℃时，R _Pt100=100[1+At+Bt ²+Ct ³（t-100）]

（2）0℃≤t≤850℃时，R _Pt100=100（1+At+Bt ²）

式中，A=3.90802×10^-3；B=-5.80×10^-7；C=4.2735×10^-12。

从上面的公式可以看出，Pt100温度传感器的阻值随温度升高而增大，呈现近似线性的关系，但不是绝对的线性关系，而且温度越高线性度越差。

由于Pt100传感器随温度变化的是电阻值，一般需要将其转换成电压或电流信号以方便使用。转化成电压信号使用的优点是信号好处理，缺点是长距离传输信号有衰减，且相对易受干扰；转换成电流使用使用的优点是可以长距离传输，在后端处理设备的输入端电压没有衰减，抗干扰能力相对比电压信号强；因此很多工业现场Pt100信号传送都采用4~20mA电流，用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，到接收端再将电流信号转换为电压信号，以减少传输导线阻抗对信号的影响和传输途径对信号的干扰，实现了长距离可靠传输。

电力变压器的温度监测大都采用Pt100作为温度传感器，采用4~20mA电流作为传输信号，测温范围为0℃~160℃或0℃~200℃。目前电力变压器Pt100信号转换装置大都采用的信号处理模式为，Pt100热电阻经Pt100信号采集电路转换为电压信号，通过放大、调理后经A/D（模/数）转换电路转换为数字信号，再由单片机或DSP芯片通过软件编程、采用查表等方式实现对Pt100传感器的非线性补偿，补偿后的数字信号经D/A（数/模）转换电路转换为电压信号，再经V/I（电压/电流）转换电路转换为4～20mA电流信号。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种抗干扰能力强、可靠性高的抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置，包括连接电力变压器内Pt100温度传感器的线路，其特征在于：所述线路上安装雷电保护电路和Pt100温度采集电路，Pt100温度采集电路和非线性补偿电路相互连通，非线性补偿电路连通4~20mA电流产生电路，AC-DC电源电路分别连通非线性补偿电路和4~20mA电流产生电路。

本发明利用模拟校准电路补偿Pt100温度传感器的非线性,全部信号转换功能完全由模拟电路实现，转换后的输出信号稳定性好，抗干扰能力强，可靠性高。发生故障时可直接带电插拔，在不停电条件下进行更换，可有效减小电力变压器的计划外停电时间，缩短故障维修时间。

本使用新型硬件采用模块化设计，装置内部采取了多项雷电保护措施，能抑制来自信号线以及电源线上的感应雷电波，具备雷电冲击自恢复功能，可有效提高电力变压器的平均无故障运行时间。

另外本转换装置转换后的4~20mA电流输出信号稳定性好，抗干扰能力强，可靠性高，具有体积小、重量轻、运行可靠等特点。硬件使用插拔式接口，安装、使用和维护成本低。采用本转换装置的电力变压器温度监测系统无须外接雷电保护装置,雷电冲击后可自动恢复。

本发明的更优方案为：

所述雷电保护电路包括连接Pt100温度采集电路的传感器接入通道雷电保护电路、连通4~20mA电流产生电路的4~20mA输出通道雷电保护电路和连接AC-DC电源电路的220V交流输入通道雷电保护电路三部分。

本发明利用模拟校准电路补偿Pt100温度传感器的非线性，因而不需要使用易受电磁干扰、需要软件驱动的单片机、数字信号处理器（DSP）等微处理芯片以及易受尖峰脉冲干扰的门电路、触发器等逻辑器件来进行Pt100温度传感器的非线性补偿,全部信号转换功能完全由模拟电路实现，因而克服了原来因采用单片机、数字信号处理器以及模/数、数/模转换等数字逻辑电路而引起的易受电磁干扰的问题，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力，而且在发生故障时可直接带电插拔，在不停电条件下进行更换，可有效减小电力变压器的计划外停电时间，缩短故障维修时间。

另外，原有系统或其他未采取雷电保护措施的Pt100信号转换装置因没有雷电保护措施，遇到雷击或其它强电磁干扰时元器件（尤其是单片机和数字逻辑电路）容易损坏，从而造成4~20mA电流信号丢失，发生这种情况时必须在系统停电后才能进行维护，这对变压器计划内停电要求是非常不利的。本发明装置内部采取了多项雷电保护措施，能抑制来自信号线以及电源线上的感应雷电波，具备雷电冲击自恢复功能，因而克服了原有系统抗雷击性能差、且发生故障后必须停电更换的缺点，因而有效提高了电力变压器的平均无故障运行时间。

本发明抗干扰能力强，装置内部采取了多项雷电保护措施，能抑制来自信号线以及电源线上的感应雷电波，具备雷电冲击自恢复功能；转换后的4~20mA电流输出信号稳定性好，可靠性高，具有体积小、重量轻、运行可靠等特点。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1电力变压器，2 Pt100温度传感器，3传感器接入通道雷电保护电路，4 Pt100温度采集电路，5非线性补偿电路，6 4~20mA电流产生电路，7 AC-DC电源电路，8 4~20mA输出通道雷电保护电路，9 220V交流输入通道雷电保护电路。

（五）具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括连接电力变压器1内Pt100温度传感器2的线路，所述线路上安装雷电保护电路和Pt100温度采集电路4，Pt100温度采集电路4和非线性补偿电路5相互连通，非线性补偿电路5连通4~20mA电流产生电路6，AC-DC电源电路7分别连通非线性补偿电路5和4~20mA电流产生电路6；所述雷电保护电路包括连接Pt100温度采集电路4的传感器接入通道雷电保护电路3、连通4~20mA电流产生电路6的4~20mA输出通道雷电保护电路8和连接AC-DC电源电路7的220V交流输入通道雷电保护电路9三部分。

Pt100温度采集电路4负责Pt100信号采集，将其转换为电压信号，进行放大、调理后作为非线性补偿电路的输入。Pt100温度传感器2采用三线制,从传感器引出的三根导线截面积和长度均相同，测量Pt100铂电阻的电路为不平衡电桥，Pt100铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，大大减小导线电阻带来的附加误差。通过将Pt100铂电阻接在电桥电路中,使电阻变化信号转换为电压变化信号，通过选择电桥桥臂阻值的大小调整桥路输出电压的大小，然后经运算放大器LM324组成的电压信号放大电路进行放大和调理，送入非线性补偿电路5进行补偿。

非线性补偿电路5用来补偿Pt100温度传感器2的非线性,其主要工作原理为：

Pt100温度传感器2信号经Pt100温度采集电路4采集、放大后转换成的电压信号为：

V _O=k×{[( R _Pt100/(R _B1+R _Pt100)] ×V _CC-[(100/(R _B1+100)] ×V _CC}

其中k为Pt100温度采集电路4中放大器的放大倍数，R _B1为不平衡电桥中除R _Pt100外的另一个桥臂电阻，V _CC为电桥的电源电压。当R _B1远大于R _Pt100时，上式可化简为：

V _O=k×( C ₁×R _Pt100 - C ₂) ×V _CC（其中C ₁、C ₂是由R _B1决定的常数）

即Pt100温度传感器2经采集、放大转换后的电压信号与传感器本身的阻值R _Pt100以及电桥的电源电压V _CC成正比，因此通过适当调节V _CC的大小可有效消除Pt100温度传感器2的非线性。具体实现可通过三端可调稳压集成电路LM317来完成，将V _O作为负反馈信号控制LM317的电压调整端，使得LM317的电压输出随V _O的增大而适当降低，从而刚好补偿由Pt100温度传感器2引起的非线性。

4~0mA电流产生电路6用于实现V/I（电压/电流）转换,将 Pt100温度采集电路4采集、放大并经非线性补偿电路5补偿后的电压信号转换为4~20mA电流信号。4~20mA电流产生的具体实现由V/I转换芯片AD694完成。

雷电保护电路包括传感器接入通道雷电保护3、220V交流输入通道雷电保护9和4~20mA输出通道雷电保护8三部分电路。传感器接入通道雷电保护电路3用于处理从Pt100温度传感器2及其连接线引入的雷击浪涌等电磁干扰信号，Pt100温度传感器2三根连接线对地各接一个压敏电阻和一个双向瞬态吸收二极管，三根连接线两两之间分别30V接压敏电阻和双向瞬态吸收二极管，组成并联式抗雷击浪涌保护电路，有效防止从Pt100温度传感器2连接线引入的雷电干扰损坏Pt100温度传感器2及信号转换装置。220V交流输入通道雷电保护电路9用于处理从交流电源引入的雷击浪涌等电磁干扰信号，220V交流输入火线与零线之间接470V压敏电阻和0.1uF电容, 火线与零线对地分别接0.0022uF的高压电容, 形成单相并联式抗雷击浪涌电路，实现共模、差摸全保护，从而有效防止从220V交流输入通道引入的雷电干扰或其他电磁干扰损坏Pt100信号转换装置。4~20mA输出通道雷电保护电路8用于处理从4~20mA电流环引入的雷击浪涌等电磁干扰信号, 4~20mA电流环之间接30V接压敏电阻和双向瞬态吸收二极管，同时对地接0.0022uF的高压电容, 组成电流环路并联式抗雷击浪涌保护电路，防止从4~20mA电流环引入的雷电干扰损坏Pt100信号转换装置及相关的后端处理电路。

AC-DC电源电路7用于从220V交流电源中产生+24V直流电压，供Pt100温度采集4、非线性补偿5、4~20mA电流产生6以及雷电保护等电路使用，AC-DC电源电路7采用了隔离、滤波、去耦等相关电路，保证了整个Pt100信号转换装置所需+24V直流电压的可靠性和抗干扰能力。

本发明利用模拟校准电路补偿Pt100温度传感器的非线性，在0℃~200℃的整个量程范围内，非线性误差小于0.1%，温度检测误差小于1%，信号转换性能达到或优于采用单片机（或DSP芯片）进行Pt100传感器非线性补偿的单片机型Pt100信号转换装置。由于抗雷击Pt100信号转换装置全部信号转换功能完全由模拟电路实现，而且装置内部采取了多项雷电保护措施，因而具有很强的抗电磁干扰能力和雷电冲击自恢复能力。采用本装置可大大提高电力变压器温度监控系统运行的可靠性，有效减小电力变压器的计划外停电时间，提高电力变压器的平均无故障运行时间。

Claims

1.一种抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置，包括连接电力变压器（1）内Pt100温度传感器（2）的线路，其特征在于：所述线路上安装雷电保护电路和Pt100温度采集电路（4），Pt100温度采集电路（4）和非线性补偿电路（5）相互连通，非线性补偿电路（5）连通4~20mA电流产生电路（6），AC-DC电源电路（7）分别连通非线性补偿电路（5）和4~20mA电流产生电路（6）。

2.根据权利要求1所述的抗雷击电力变压器Pt100信号转换装置，其特征在于：所述雷电保护电路包括连接Pt100温度采集电路（4）的传感器接入通道雷电保护电路（3）、连通4~20mA电流产生电路（6）的4~20mA输出通道雷电保护电路（8）和连接AC-DC电源电路（7）的220V交流输入通道雷电保护电路（9）三部分。