CN103675389A - 一种交流、直流两用电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流、直流两用电压互感器，串联于高压母线与公共接地端之间，用于监测高压母线的供电电压信息并传送给机车的控制单元；其电压信号处理单元（7）包括直流电识别电路、交流电识别电路、直流电输出控制电路和交流电输出控制电路；直流电识别电路的输入端和交流电识别电路的输入端并联在保护装置（6）的输出端；直流电识别电路的输出端与直流电输出控制电路的输入端电连接；交流电识别电路的输出端与交流电输出控制电路的输入端电连接；直流电输出控制电路的输出端与交流电输出控制电路的输出端并联在航空插座（8）上。本发明实施例不仅能够适用于交流和直流两种电力系统，而且结构简单、可靠性高、通用性强、便于安装。

Description

一种交流、直流两用电压互感器

技术领域

本发明涉及机车用电压互感器领域，尤其涉及一种交流、直流两用电压互感器。

背景技术

随着电气化铁路的发展，铁路设施对电压互感器的性能要求越来越高。目前，大多数电力机车是采用电磁式电压互感器来监测接触网电压；但电磁式电压互感器存在以下缺点：①电磁式电压互感器主要依靠铁芯来运作，因此使得电磁式电压互感器不仅体积大、成本高，而且不易于安装；②电磁式电压互感器的铁芯容易产生谐振，因此电磁式电压互感器容易受到谐振的影响而导致整体损坏；③电磁式电压互感器的二次绕组侧的输出电压一般为100v，因此电磁式电压互感器不能与电力机车的控制单元直接相连。

为了克服电磁式电压互感器的上述缺点，一些厂商开始研发电力机车上使用的电子式电压互感器，并采用电子式电压互感器来监测接触网电压；但是，现有的电子式电压互感器至少还存在以下的不足：

①现有的电子式电压互感器只能适用于交流电力系统，无法应用在直流电力系统中,这严重限制了电子式电压互感器的应用范围。

②现有的电子式电压互感器的保护装置采用了通用电压互感器的保护措施，未充分考虑电力机车自身的复杂电磁环境、电力机车的运行特点和获取电能的特点等因素，因此其保护装置的保护能力较弱，可能造成电子式电压互感器的整体损坏。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种交流、直流两用电压互感器，不仅能够适用于交流和直流两种电力系统，而且结构简单、可靠性高、通用性强、便于安装。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种交流、直流两用电压互感器，串联于高压母线与公共接地端之间，包括：绝缘外壳1、箱体2、高压臂电阻4、低压臂电阻5、保护装置6、电压信号处理单元7和航空插座8；

绝缘外壳1设置于箱体2的顶部，并且绝缘外壳1与箱体2之间设有定位座3；

绝缘外壳1的内部设有空腔11；高压臂电阻4、低压臂电阻5和保护装置6均设于该空腔11内；高压臂电阻4的高压端与设于绝缘外壳1顶部的高压电极接线柱9电连接，并且该高压电极接线柱9与高压母线电连接；高压臂电阻4的低压端与低压臂电阻5的高压端电连接，低压臂电阻5的低压端与公共接地端电连接；保护装置6的输入端与低压臂电阻5并联；

电压信号处理单元7设于箱体2的内部，并且电压信号处理单元7的输入端与保护装置6的输出端电连接；航空插座8设于箱体2的外部，并且电压信号处理单元7的输出端与航空插座8电连接；

电压信号处理单元7包括直流电识别电路、交流电识别电路、直流电输出控制电路和交流电输出控制电路；直流电识别电路的输入端和交流电识别电路的输入端并联在保护装置6的输出端；直流电识别电路的输出端与直流电输出控制电路的输入端电连接；交流电识别电路的输出端与交流电输出控制电路的输入端电连接；直流电输出控制电路的输出端与交流电输出控制电路的输出端并联在航空插座8上。

优选地，所述的直流电识别电路包括：第一高阻抗电压跟随电路、第十五电阻R15、第七二极管D7、第四一电阻R41、第四二电容C42、第一电压比较电路、第一模拟开关芯片U7和第二高阻抗电压跟随电路；

第一高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置6的输出端电连接；第一高阻抗电压跟随电路的输出端通过第十五电阻R15与第四二电容C42的一端及第一电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第四二电容C42的另一端与公共接地端电连接；

第七二极管D7的阴极与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第七二极管D7的阳极与第四一电阻R41串联，并通过第四一电阻R41电连接在第十五电阻R15与第四二电容C42之间；

第一电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于0.18V，并且小于0.24V的直流输入电压；第一电压比较电路的比较结果输出端与第一模拟开关芯片U7的片选信号输入引脚In电连接；

第一模拟开关芯片U7的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接；第一模拟开关芯片U7的第二电压输入引脚SB与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第一模拟开关芯片U7的电压输出引脚D与第二高阻抗电压跟随电路的输入端电连接，并通过第二高阻抗电压跟随电路与直流电输出控制电路的输入端电连接。

优选地，所述的交流电识别电路包括：第三高阻抗电压跟随电路、第四零电阻R40、第七二二极管D72、第九二二极管D92、第八二二极管D82、第二九一电阻R291、第四二电阻R42、第五电容C5、第二电压比较电路和第二模拟开关芯片U82；

第三高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置6的输出端电连接；第三高阻抗电压跟随电路的输出端通过第四零电阻R40与第七二二极管D72的阳极电连接；第七二二极管D72的阴极与第九二二极管D92的阳极电连接；第九二二极管D92的阴极与第八二二极管D82的阳极电连接；第八二二极管D82的阴极与第五电容C5的一端及第二电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第五电容C5的另一端与公共接地端电连接；

第二九一电阻R291的一端与第七二二极管D72的阳极电连接，而第二九一电阻R291的另一端与第九二二极管D92的阴极电连接；第四二电阻R42的一端与第八二二极管D82的阳极电连接，而第四二电阻R42的另一端与第八二二极管D82的阴极电连接；

第二电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于1.6V，并且小于8V的直流输入电压；第二电压比较电路的比较结果输出端与第二模拟开关芯片U82的片选信号输入引脚In电连接；

第二模拟开关芯片U82的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接；第二模拟开关芯片U82的第二电压输入引脚SB与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第二模拟开关芯片U82的电压输出引脚D与交流电输出控制电路的输入端电连接。

优选地，所述的交流电输出控制电路包括：第一三运算放大器U13、第七一二极管D71、第二一电阻R21、第四三极管T4、第二四一电阻R241、第八一二极管D81、第二八电阻R28、第六三极管T6、第二五一电阻R251和第二七电阻R27；

第一三运算放大器U13的同相输入端与交流电识别电路的输出端电连接；第一三运算放大器U13的反相输入端与第二七电阻R27的一端电连接，并作为该交流电输出控制电路的一个电流输出端与航空插座8电连接；第二七电阻R27的另一端与公共接地端电连接；

第一三运算放大器U13的输出端与第七一二极管D71的阴极电连接；第七一二极管D71的阳极通过第二一电阻R21与+15V电压输入端电连接；第四三极管T4的基极与第七一二极管D71的阳极电连接；第四三极管T4的集电极与+15V电压输入端电连接；第四三极管T4的发射极与第二四一电阻R241的一端电连接；

第一三运算放大器U13的输出端与第八一二极管D81的阳极电连接；第八一二极管D81的阴极通过第二八电阻R28与-15V电压输入端电连接；第六三极管T6的基极与第八一二极管D81的阴极电连接；第六三极管T6的发射极与-15V电压输入端电连接；第六三极管T6的集电极与第二五一电阻R251的一端电连接；

第二四一电阻R241的另一端与第二五一电阻R251的另一端电连接后，作为该交流电输出控制电路的另一个电流输出端与航空插座8电连接。

优选地，所述的直流电输出控制电路包括：模数转换电路、中央处理芯片和数模转换电路；

中央处理芯片通过模数转换电路与直流电识别电路的输出端电连接，从而获取直流电的电压信号；中央处理芯片通过数模转换电路与航空插座8电连接，从而使航空插座8输出直流电。

优选地，所述的箱体2的外部设有工作状态指示装置；交流电输出控制电路包括交流工作状态反馈电路；中央处理芯片与交流工作状态反馈电路电连接，并且与工作状态指示装置电连接。

优选地，所述的保护装置6包括：放电管G1、第一自恢复保险丝Ra、第二自恢复保险丝Rn和第一瞬态电压保护二极管TVS1；

第一自恢复保险丝Ra的一端与放电管G1的一端电连接，并作为保护装置6的一个输入端与低压臂电阻5的高压端电连接；第一自恢复保险丝Ra的另一端与第一瞬态电压保护二极管TVS1的一端电连接，并作为保护装置6的一个输出端与电压信号处理单元7的输入端电连接；

第二自恢复保险丝Rn的一端与放电管G1的另一端及公共接地端电连接，并作为保护装置6的另一个输入端与低压臂电阻5的低压端电连接；第二自恢复保险丝Rn的另一端与第一瞬态电压保护二极管TVS1的另一端电连接，并作为保护装置6的另一个输出端与电压信号处理单元7的输入端电连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的交流、直流两用电压互感器的电压信号处理单元7包括直流电识别电路和交流电识别电路，直流电识别电路和交流电识别电路通过保护装置6与低压臂电阻5并联；经过保护装置6的直流电只能通过直流电识别电路进入直流电输出控制电路，无法通过交流电识别电路，而经过保护装置6的交流电只能通过交流电识别电路进入交流电输出控制电路，无法通过直流电识别电路，因此使本发明所提供的电压互感器能够适用于交流和直流两种电力系统，而且结构简单、可靠性高、通用性强、便于安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的电压互感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电压互感器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供电压互感器的保护装置的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供电压互感器的直流电识别电路的电路原理示意图；

图5为本发明实施例提供电压互感器的交流电识别电路的电路原理示意图；

图6为本发明实施例提供电压互感器的直流电输出控制电路的电路原理示意图一；

图7为本发明实施例提供电压互感器的直流电输出控制电路的电路原理示意图二；

图8为本发明实施例提供电压互感器的交流电输出控制电路的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先需要说明的是，本发明实施例所提供的交流、直流两用电压互感器可以适用于高压母线传输DC1500V电压（即直流电1500V）的场合，也可以适用于高压母线传输AC25kV电压（即交流电25kV）的场合；当高压母线传输DC1500V的电压时，该电压互感器的航空插座8可以输出15mA的直流电；当高压母线传输AC25kV的电压时，该电压互感器的航空插座8可以输出25mA的交流电。

下面对本发明实施例所提供的交流、直流两用电压互感器进行详细描述。

实施例一

如图1至图6所示，一种交流、直流两用电压互感器，串联于高压母线与公共接地端之间，其具体结构可以包括：绝缘外壳1、箱体2、高压臂电阻4、低压臂电阻5、保护装置6、电压信号处理单元7和航空插座8；

绝缘外壳1设置于箱体2的顶部，并且绝缘外壳1与箱体2之间设有定位座3；绝缘外壳1的内部设有空腔11；高压臂电阻4、低压臂电阻5和保护装置6均设于该空腔11内；高压臂电阻4的高压端与设于绝缘外壳1顶部的高压电极接线柱9电连接，并且该高压电极接线柱9与高压母线电连接；高压臂电阻4的低压端与低压臂电阻5的高压端电连接，低压臂电阻5的低压端与公共接地端电连接；保护装置6的输入端与低压臂电阻5并联；电压信号处理单元7设于箱体2的内部，并且电压信号处理单元7的输入端与保护装置6的输出端电连接；航空插座8设于箱体2的外部，并且电压信号处理单元7的输出端与航空插座8电连接。航空插座8可以与屏蔽电缆连接，并可以驱动200欧姆的负载。

其中，如图2所示，电压信号处理单元7可以包括直流电识别电路、交流电识别电路、直流电输出控制电路和交流电输出控制电路；直流电识别电路的输入端和交流电识别电路的输入端并联在保护装置6的输出端；直流电识别电路的输出端与直流电输出控制电路的输入端电连接；交流电识别电路的输出端与交流电输出控制电路的输入端电连接；直流电输出控制电路的输出端与交流电输出控制电路的输出端并联在航空插座8上。

具体地，该交流、直流两用电压互感器的各部件的具体实施方案可以包括：

（1）直流电识别电路：如图2和图4所示，该直流电识别电路可以包括：第一高阻抗电压跟随电路、第十五电阻R15、第七二极管D7、第四一电阻R41、第四二电容C42、第一电压比较电路、第一模拟开关芯片U7和第二高阻抗电压跟随电路；

第一高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置6的输出端电连接；第一高阻抗电压跟随电路的输出端通过第十五电阻R15与第四二电容C42的一端及第一电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第四二电容C42的另一端与公共接地端电连接；第七二极管D7的阴极与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第七二极管D7的阳极与第四一电阻R41串联，并通过第四一电阻R41电连接在第十五电阻R15与第四二电容C42之间；第一电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于0.18V，并且小于0.24V的直流输入电压；第一电压比较电路的比较结果输出端与第一模拟开关芯片U7的片选信号输入引脚In电连接；第一模拟开关芯片U7的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接；第一模拟开关芯片U7的第二电压输入引脚SB与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第一模拟开关芯片U7的电压输出引脚D与第二高阻抗电压跟随电路的输入端电连接，并通过第二高阻抗电压跟随电路与直流电输出控制电路的输入端电连接。

其中，为了保证直流电识别电路具有较高的测量精度，该直流电识别电路的输入端设置了输入高阻抗的第一高阻抗电压跟随电路，该第一高阻抗电压跟随电路可以采用现有技术中的高阻抗电压跟随电路，但最好采用以运算放大器为核心的高阻抗电压跟随电路，例如：如图4所示的以第一九一运算放大器U19A为核心的高阻抗电压跟随电路。第二高阻抗电压跟随电路也可以采用现有技术中的高阻抗电压跟随电路，但最好也采用以运算放大器为核心的高阻抗电压跟随电路，例如：如图4所示的以第一九三运算放大器U19C为核心的高阻抗电压跟随电路。第一电压比较电路最好采用如图4所示以第一九四运算放大器U19D为核心的比较电路。第一电压比较电路的第二比较电压输入端所接入的直流输入电压最好为0.18V，并且最好采用如图4所示的电路结构，即第一电压比较电路的第二比较电压输入端电连接在第一七电阻R17与第一三电阻R13之间，并且通过第一七电阻R17与公共接地端电连接，通过第一三电阻R13与+15V电压输入端电连接；在实际应用中，第一三电阻R13的电阻值最好为56kΩ，第一七电阻R17的电阻值最好为400Ω，从而使第二比较电压输入端的电压为0.18V。

此处需要说明的是，第一模拟开关芯片U7的其他引脚的连接方法均可以参照现有技术中模拟开关芯片的常规电路连接，本申请中不再赘述。该直流电识别电路还可以根据实际需求按照现有技术设置保护电路，稳压电路等常规电路，这些在现有技术中的常规电路结构本申请中不再赘述。

（2）交流电识别电路：如图2和图5所示，该交流电识别电路可以包括：第三高阻抗电压跟随电路、第四零电阻R40、第七二二极管D72、第九二二极管D92、第八二二极管D82、第二九一电阻R291、第四二电阻R42、第五电容C5、第二电压比较电路和第二模拟开关芯片U82；

第三高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置6的输出端电连接；第三高阻抗电压跟随电路的输出端通过第四零电阻R40与第七二二极管D72的阳极电连接；第七二二极管D72的阴极与第九二二极管D92的阳极电连接；第九二二极管D92的阴极与第八二二极管D82的阳极电连接；第八二二极管D82的阴极与第五电容C5的一端及第二电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第五电容C5的另一端与公共接地端电连接；第二九一电阻R291的一端与第七二二极管D72的阳极电连接，而第二九一电阻R291的另一端与第九二二极管D92的阴极电连接；第四二电阻R42的一端与第八二二极管D82的阳极电连接，而第四二电阻R42的另一端与第八二二极管D82的阴极电连接；第二电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于1.6V，并且小于8V的交流输入电压；第二电压比较电路的比较结果输出端与第二模拟开关芯片U82的片选信号输入引脚In电连接；第二模拟开关芯片U82的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接；第二模拟开关芯片U82的第二电压输入引脚SB与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第二模拟开关芯片U82的电压输出引脚D与交流电输出控制电路的输入端电连接。

其中，第二模拟开关芯片U82的第二电压输入引脚SB可以通过第五二电阻R52与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接。为了保证交流电识别电路具有较高的测量精度，该交流电识别电路的输入端设置了输入高阻抗的第三高阻抗电压跟随电路，该第三高阻抗电压跟随电路可以采用现有技术中的高阻抗电压跟随电路，但最好采用以运算放大器为核心的高阻抗电压跟随电路，例如：如图5所示的以第一三二运算放大器U13B为核心的高阻抗电压跟随电路。第二电压比较电路最好采用如图5所示以第一三三运算放大器U13C为核心的比较电路。第二电压比较电路的第二比较电压输入端所接入的直流输入电压最好为1.6V，并且最好采用如图5所示的电路结构，即第二电压比较电路的第二比较电压输入端电连接在第三七电阻R37与第四八电阻R48之间，并且通过第三七电阻R37与+15V电压输入端电连接，通过第四八电阻R48与公共接地端电连接，第九电容C9与第四八电阻R48并联；在实际应用中，第三七电阻R37的电阻值最好为6.2kΩ，第四八电阻R48的电阻值最好为56kΩ，从而使第二比较电压输入端的电压为1.6V。

此处需要说明的是，第二模拟开关芯片U82的其他引脚的连接方法均可以参照现有技术中模拟开关芯片的常规电路连接，本申请中不再赘述。该交流电识别电路还可以根据实际需求按照现有技术设置保护电路，稳压电路等常规电路，这些在现有技术中的常规电路结构本申请中不再赘述。

（3）交流电输出控制电路：如图2和图8所示，该交流电输出控制电路可以包括：第一三运算放大器U13、第七一二极管D71、第二一电阻R21、第四三极管T4、第二四一电阻R241、第八一二极管D81、第二八电阻R28、第六三极管T6、第二五一电阻R251和第二七电阻R27；

第一三运算放大器U13的同相输入端与交流电识别电路的输出端电连接；第一三运算放大器U13的反相输入端与第二七电阻R27的一端电连接，并作为该交流电输出控制电路的一个电流输出端与航空插座8电连接；第二七电阻R27的另一端与公共接地端电连接；第一三运算放大器U13的输出端与第七一二极管D71的阴极电连接；第七一二极管D71的阳极通过第二一电阻R21与+15V电压输入端电连接；第四三极管T4的基极与第七一二极管D71的阳极电连接；第四三极管T4的集电极与+15V电压输入端电连接；第四三极管T4的发射极与第二四一电阻R241的一端电连接；第一三运算放大器U13的输出端与第八一二极管D81的阳极电连接；第八一二极管D81的阴极通过第二八电阻R28与-15V电压输入端电连接；第六三极管T6的基极与第八一二极管D81的阴极电连接；第六三极管T6的发射极与-15V电压输入端电连接；第六三极管T6的集电极与第二五一电阻R251的一端电连接；第二四一电阻R241的另一端与第二五一电阻R251的另一端电连接后，作为该交流电输出控制电路的另一个电流输出端与航空插座8电连接。

其中，当交流电识别电路的输出端向第一三运算放大器U13的同相输入端输出交流电时，第一三运算放大器U13的反相输入端的电压等于第一三运算放大器U13的同相输入端的输入电压Vi；由于第一三运算放大器U13的反相输入端直接与第二七电阻R27的一端电连接，并且作为该交流电输出控制电路的一个电流输出端与航空插座8电连接，而第二七电阻R27的另一端与公共接地端电连接，因此当负载与航空插座8电连接后，第二七电阻R27相当于与负载串联，经过航空插座8进入负载的电流始终等于流经第二七电阻R27的电流（I=Vi/R27），这与负载的电阻值大小无关，从而实现了交流的恒流输出。同时，当第一三运算放大器U13的输出端输出的是正半周交流电时，正半周交流电可以通过由第七一二极管D71、第二一电阻R21、第四三极管T4和第二四一电阻R241所构成的电路输出到航空插座；当第一三运算放大器U13的输出端输出的是负半周交流电时，负半周交流电可以通过由第八一二极管D81、第二八电阻R28、第六三极管T6和第二五一电阻R251所构成的电路输出到航空插座。

（4）直流电输出控制电路：如图2、图6和图7所示，该直流电输出控制电路可以包括：模数转换电路、中央处理芯片和数模转换电路；中央处理芯片通过模数转换电路与直流电识别电路的输出端电连接，从而获取直流电的电压信号；中央处理芯片通过数模转换电路与航空插座8电连接，从而使航空插座8输出直流电。

其中，直流电识别电路的输出端直接与模数转换电路电连接，并通过模数转换电路将直流输出电压传送给中央处理芯片，中央处理芯片获取到直流输出电压后，通过数模转换电路向航空插座8输出直流电。箱体2的外部可以设有工作状态指示装置，以用于指示航空插座8输出的电流是直流电还是交流电；中央处理芯片可以与工作状态指示装置电连接，由于直流电的输出是由中央处理芯片控制的，因此中央处理芯片可以直接将航空插座8是否有直流电输出告知工作状态指示装置；交流电输出控制电路可以包括交流工作状态反馈电路，中央处理芯片与交流工作状态反馈电路电连接，从而使中央处理芯片也可以将航空插座8是否有交流电输出告知工作状态指示装置。

此处需要说明的是，模数转换电路可以采用现有技术中公知的模数转换电路或模数转换芯片，但最好采用如图7所示的模数转换芯片U8；数模转换电路可以采用现有技术中公知的数模转换电路或数模转换芯片；中央处理芯片可以采用现有技术中的单片机，例如：如图7所示的单片机U10。由于模数转换电路、单片机和数模转换电路均属于现有技术中的常规技术，因此本申请中不再赘述。

（4）保护装置6：如图2和图3所示，该保护装置6可以包括：放电管G1、第一自恢复保险丝Ra、第二自恢复保险丝Rn和第一瞬态电压保护二极管TVS1；

第一自恢复保险丝Ra的一端与放电管G1的一端电连接，并作为保护装置6的一个输入端与低压臂电阻5的高压端电连接；第一自恢复保险丝Ra的另一端与第一瞬态电压保护二极管TVS1的一端电连接，并作为保护装置6的一个输出端与电压信号处理单元7的输入端电连接；第二自恢复保险丝Rn的一端与放电管G1的另一端及公共接地端电连接，并作为保护装置6的另一个输入端与低压臂电阻5的低压端电连接；第二自恢复保险丝Rn的另一端与第一瞬态电压保护二极管TVS1的另一端电连接，并作为保护装置6的另一个输出端与电压信号处理单元7的输入端电连接。

其中，放电管G1最好采用陶瓷气体放电管；当高压臂电阻4被击穿或低压臂电阻5开路时，低压臂电阻5的输出端会出现高电压，该保护装置6可以抑制高电压，从而保障了电压信号处理单元7以及操作人员的安全。当过高电压侵入保护装置6的输入端时，第一瞬态电压保护二极管TVS1会导通，从而抑制过高电压；若保护装置6的输入端能量过高、电流较大，则第一自恢复保险丝Ra和第二自恢复保险丝Rn都会变成高阻状态，过高电压会由放电管G1泄放掉，从而有效保护了第一瞬态电压保护二极管TVS1及后续电压信号处理单元7免受高电压的侵害。

进一步地，该交流、直流两用电压互感器的工作原理如下：

（1）当高压母线传输的是高压交流电（例如：AC25kV）时，通过高压臂电阻4与低压臂电阻5的分压作用，母线的高压交流电（例如：AC25kV）会转换为交流小电压信号（例如：AC4V），并通过保护装置6进入电压信号处理单元7的直流电识别电路和交流电识别电路；

在直流电识别电路中，当交流小电压信号（例如：AC4V）处于交流正半周时，交流小电压信号会通过第十五电阻R15进入第四二电容C42，从而第四二电容C42充电；当交流小电压信号（例如：AC4V）处于交流负半周时，第四二电容C42中储备的电能会通过第十五电阻R15以及第四一电阻R41和第七二极管D7两条支路流出，从而第四二电容C42快速放电；由于第四二电容C42电连接在第一电压比较电路的第一比较电压输入端，当交流小电压信号处于交流负半周时，第四二电容C42的快速放电会使第一比较电压输入端的电压低于0.18V，而第一电压比较电路的第二比较电压输入端接入的是大于或等于0.18V并小于0.24V的直流输入电压，因此第一电压比较电路的比较结果输出端会使第一模拟开关芯片U7的片选信号输入引脚In为0；由于第一模拟开关芯片U7的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接，因此第一模拟开关芯片U7的电压输出引脚D会与公共接地端接通，输出信号为0，从而实现了将交流电隔离。

在交流电识别电路中，当交流小电压信号（例如：AC4V）处于交流正半周时，交流小电压信号会顺序通过第七二二极管D72、第九二二极管D92和第八二二极管D82进入第五电容C5，从而第五电容C5充电；此时，第二电压比较电路的第一比较电压输入端的电压等于交流小电压信号的交流正半周电压，而第二电压比较电路的第二比较电压输入端可以接入等于1.6V的直流输入电压，因此第二电压比较电路的比较结果输出端会使第二模拟开关芯片U82的片选信号输入引脚In为1；由于第二模拟开关芯片U82的第二电压输入引脚SB与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接，因此第二模拟开关芯片U82的电压输出引脚D的输出电压等于交流小电压信号的交流正半周电压。当交流小电压信号（例如：AC4V）处于交流负半周时，第五电容C5只通过第四二电阻R42和第二九一电阻R291这一条支路进行放电，放点速度缓慢；由于第五电容C5电连接在第二电压比较电路的第一比较电压输入端，当交流小电压信号处于交流负半周时，第五电容C5的缓慢放电使第一比较电压输入端的最小电压也不低于1.6V，而第二电压比较电路的第二比较电压输入端可以接入等于1.6V的直流输入电压，因此第二电压比较电路的比较结果输出端会使第二模拟开关芯片U82的片选信号输入引脚In为1；由于第二模拟开关芯片U82的第二电压输入引脚SB与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接，因此第二模拟开关芯片U82的电压输出引脚D的输出电压等于交流小电压信号的交流负半周电压。综上可见，该交流电识别电路实现了交流电的输出。

交流电识别电路输出的交流电进入交流电输出控制电路，并通过与交流电输出控制电路电连接的航空插座8恒流输出，其输出的交流电流（例如：AC25mA）与母线的高压交流电（例如：AC25kV）呈线性比例。

（2）当高压母线传输的是高压直流电（例如：DC1500V）时，通过高压臂电阻4与低压臂电阻5的分压作用，母线的高压直流电（例如：DC1500V）会转换为直流小电压信号（例如：DC0.24V），并通过保护装置6进入电压信号处理单元7的直流电识别电路和交流电识别电路；

在交流电识别电路中，直流小电压信号（例如：DC0.24V）会顺序通过第七二二极管D72、第九二二极管D92和第八二二极管D82进入第五电容C5，从而为第五电容C5充电；由于第五电容C5电连接在第二电压比较电路的第一比较电压输入端，第五电容C5使第二比较电压输入端的电压等于直流小电压信号（即0.24V），而第二电压比较电路的第二比较电压输入端接入的是大于或等于1.6V并小于8V的直流输入电压，因此第二电压比较电路的比较结果输出端会使第二模拟开关芯片U82的片选信号输入引脚In为0；由于第二模拟开关芯片U82的第一电压输入引脚SA与公共接地端电连接，因此第二模拟开关芯片U82的电压输出引脚D与公共接地端接通，输出信号为0，从而实现了将直流电隔离。

在直流电识别电路中，直流小电压信号（例如：DC0.24V）会通过第十五电阻R15进入第四二电容C42，从而为第四二电容C42充电；由于第四二电容C42电连接在第一电压比较电路的第一比较电压输入端，第四二电容C42使第一比较电压输入端的电压等于直流小电压信号（即0.24V），而第一电压比较电路的第二比较电压输入端接入的是大于或等于0.18V并小于0.24V的直流输入电压，因此第一电压比较电路的比较结果输出端会使第一模拟开关芯片U7的片选信号输入引脚In为1；由于第一模拟开关芯片U7的第二电压输入引脚SB与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接，因此第一模拟开关芯片U7的电压输出引脚D的输出电压等于直流小电压信号，从而实现了直流电的输出。

直流电识别电路输出的交流电进入直流电输出控制电路，并通过与直流电输出控制电路电连接的航空插座8输出，其输出的直流电流（例如：DC15mA）与母线的高压交流电（例如：DC1500V）呈线性比例。

由此可以看出，本发明实施例不仅能够适用于交流和直流两种电力系统，而且结构简单、可靠性高、通用性强、便于安装。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种交流、直流两用电压互感器，串联于高压母线与公共接地端之间，其特征在于，包括：绝缘外壳（1）、箱体（2）、高压臂电阻（4）、低压臂电阻（5）、保护装置（6）、电压信号处理单元（7）和航空插座（8）；

绝缘外壳（1）设置于箱体（2）的顶部，并且绝缘外壳（1）与箱体（2）之间设有定位座（3）；

绝缘外壳（1）的内部设有空腔（11）；高压臂电阻（4）、低压臂电阻（5）和保护装置（6）均设于该空腔（11）内；高压臂电阻（4）的高压端与设于绝缘外壳（1）顶部的高压电极接线柱（9）电连接，并且该高压电极接线柱（9）与高压母线电连接；高压臂电阻（4）的低压端与低压臂电阻（5）的高压端电连接，低压臂电阻（5）的低压端与公共接地端电连接；保护装置（6）的输入端与低压臂电阻（5）并联；

电压信号处理单元（7）设于箱体（2）的内部，并且电压信号处理单元（7）的输入端与保护装置（6）的输出端电连接；航空插座（8）设于箱体（2）的外部，并且电压信号处理单元（7）的输出端与航空插座（8）电连接；

电压信号处理单元（7）包括直流电识别电路、交流电识别电路、直流电输出控制电路和交流电输出控制电路；直流电识别电路的输入端和交流电识别电路的输入端并联在保护装置（6）的输出端；直流电识别电路的输出端与直流电输出控制电路的输入端电连接；交流电识别电路的输出端与交流电输出控制电路的输入端电连接；直流电输出控制电路的输出端与交流电输出控制电路的输出端并联在航空插座（8）上。

2.根据权利要求1所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的直流电识别电路包括：第一高阻抗电压跟随电路、第十五电阻（R15）、第七二极管（D7）、第四一电阻（R41）、第四二电容（C42）、第一电压比较电路、第一模拟开关芯片（U7）和第二高阻抗电压跟随电路；

第一高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置（6）的输出端电连接；第一高阻抗电压跟随电路的输出端通过第十五电阻（R15）与第四二电容（C42）的一端及第一电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第四二电容（C42）的另一端与公共接地端电连接；

第七二极管（D7）的阴极与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第七二极管（D7）的阳极与第四一电阻（R41）串联，并通过第四一电阻（R41）电连接在第十五电阻（R15）与第四二电容（C42）之间；

第一电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于0.18V，并且小于0.24V的直流输入电压；第一电压比较电路的比较结果输出端与第一模拟开关芯片（U7）的片选信号输入引脚（In）电连接；

第一模拟开关芯片（U7）的第一电压输入引脚（SA）与公共接地端电连接；第一模拟开关芯片（U7）的第二电压输入引脚（SB）与第一高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第一模拟开关芯片（U7）的电压输出引脚（D）与第二高阻抗电压跟随电路的输入端电连接，并通过第二高阻抗电压跟随电路与直流电输出控制电路的输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的交流电识别电路包括：第三高阻抗电压跟随电路、第四零电阻（R40）、第七二二极管（D72）、第九二二极管（D92）、第八二二极管（D82）、第二九一电阻（R291）、第四二电阻（R42）、第五电容（C5）、第二电压比较电路和第二模拟开关芯片（U82）；

第三高阻抗电压跟随电路的输入端与保护装置（6）的输出端电连接；第三高阻抗电压跟随电路的输出端通过第四零电阻（R40）与第七二二极管（D72）的阳极电连接；第七二二极管（D72）的阴极与第九二二极管（D92）的阳极电连接；第九二二极管（D92）的阴极与第八二二极管（D82）的阳极电连接；第八二二极管（D82）的阴极与第五电容（C5）的一端及第二电压比较电路的第一比较电压输入端电连接；第五电容（C5）的另一端与公共接地端电连接；

第二九一电阻（R291）的一端与第七二二极管（D72）的阳极电连接，而第二九一电阻（R291）的另一端与第九二二极管（D92）的阴极电连接；第四二电阻（R42）的一端与第八二二极管（D82）的阳极电连接，而第四二电阻（R42）的另一端与第八二二极管（D82）的阴极电连接；

第二电压比较电路的第二比较电压输入端接入大于或等于1.6V，并且小于8V的直流输入电压；第二电压比较电路的比较结果输出端与第二模拟开关芯片（U82）的片选信号输入引脚（In）电连接；

第二模拟开关芯片（U82）的第一电压输入引脚（SA）与公共接地端电连接；第二模拟开关芯片（U82）的第二电压输入引脚（SB）与第三高阻抗电压跟随电路的输出端电连接；第二模拟开关芯片（U82）的电压输出引脚（D）与交流电输出控制电路的输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的交流电输出控制电路包括：第一三运算放大器（U13）、第七一二极管（D71）、第二一电阻（R21）、第四三极管（T4）、第二四一电阻（R241）、第八一二极管（D81）、第二八电阻（R28）、第六三极管（T6）、第二五一电阻（R251）和第二七电阻（R27）；

第一三运算放大器（U13）的同相输入端与交流电识别电路的输出端电连接；第一三运算放大器（U13）的反相输入端与第二七电阻（R27）的一端电连接，并作为该交流电输出控制电路的一个电流输出端与航空插座（8）电连接；第二七电阻（R27）的另一端与公共接地端电连接；

第一三运算放大器（U13）的输出端与第七一二极管（D71）的阴极电连接；第七一二极管（D71）的阳极通过第二一电阻（R21）与+15V电压输入端电连接；第四三极管（T4）的基极与第七一二极管（D71）的阳极电连接；第四三极管（T4）的集电极与+15V电压输入端电连接；第四三极管（T4）的发射极与第二四一电阻（R241）的一端电连接；

第一三运算放大器（U13）的输出端与第八一二极管（D81）的阳极电连接；第八一二极管（D81）的阴极通过第二八电阻（R28）与-15V电压输入端电连接；第六三极管（T6）的基极与第八一二极管（D81）的阴极电连接；第六三极管（T6）的发射极与-15V电压输入端电连接；第六三极管（T6）的集电极与第二五一电阻（R251）的一端电连接；

第二四一电阻（R241）的另一端与第二五一电阻（R251）的另一端电连接后，作为该交流电输出控制电路的另一个电流输出端与航空插座（8）电连接。

5.根据权利要求1所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的直流电输出控制电路包括：模数转换电路、中央处理芯片和数模转换电路；

中央处理芯片通过模数转换电路与直流电识别电路的输出端电连接，从而获取直流电的电压信号；中央处理芯片通过数模转换电路与航空插座（8）电连接，从而使航空插座（8）输出直流电。

6.根据权利要求5所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的箱体（2）的外部设有工作状态指示装置；

交流电输出控制电路包括交流工作状态反馈电路；中央处理芯片与交流工作状态反馈电路电连接，并且与工作状态指示装置电连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的交流、直流两用电压互感器，其特征在于，所述的保护装置（6）包括：放电管（G1）、第一自恢复保险丝（Ra）、第二自恢复保险丝（Rn）和第一瞬态电压保护二极管（TVS1）；

第一自恢复保险丝（Ra）的一端与放电管（G1）的一端电连接，并作为保护装置（6）的一个输入端与低压臂电阻（5）的高压端电连接；第一自恢复保险丝（Ra）的另一端与第一瞬态电压保护二极管（TVS1）的一端电连接，并作为保护装置（6）的一个输出端与电压信号处理单元（7）的输入端电连接；

第二自恢复保险丝（Rn）的一端与放电管（G1）的另一端及公共接地端电连接，并作为保护装置（6）的另一个输入端与低压臂电阻（5）的低压端电连接；第二自恢复保险丝（Rn）的另一端与第一瞬态电压保护二极管（TVS1）的另一端电连接，并作为保护装置（6）的另一个输出端与电压信号处理单元（7）的输入端电连接。

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