CN104764919B - 基于有损二重积分电路的电子式电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，它包括第一电容、带间隙的闭环铁芯、一次线圈、二次线圈、二极气体放电管、双向稳压管、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第三电容、第四电容和有过孔的环形屏蔽盒；本发明的互感器通过高压电容和带间隙铁芯线圈实现了一次电压转换器的输出电压与一次电压之间的二阶导数关系，同时利用二重积分电路将输出信号还原，实现了同时对一次电压的基波和谐波分量的准确传感。

Description

基于有损二重积分电路的电子式电压互感器

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种可同时准确测量电压基波和谐波的电子式电压互感器，具体地说是一种基于有损二重积分电路的电子式电压互感器。

背景技术

电子式电压互感器是一种电压传感器，主要用于电网的电压质量分析、电能计量及安全保护。国家标准GB/T20840.7-2007《互感器第7部分：电子式电压互感器》规定了电子式电压互感器基波准确度的技术要求，而国家标准GB/T20840.8-2007《互感器第8部分：电子式电流互感器》在规定电子式电流互感器技术规范的同时，也给出了电子式电压互感器谐波准确度的技术要求。此外，国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》给出了公用电网谐波电压的限值，国家标准GB/T19862-2005《电能质量监测设备通用要求》规定了用于监测电网基波电压偏差及谐波电压分量的设备的通用要求，这些标准对电子式电压互感器的基波和谐波传感准确度及量程范围提出了明确的要求。

传统的电压互感器主要有电磁式电压互感器和电容式电压互感器两类，它们主要用来测量电网电压的基波分量，但是电磁式电压互感器的测量频带较窄，电容式电压互感器不能用于谐波的检测。电子式电压互感器是传统电压互感器更新换代的产品，它主要由一次电压转换器和后续信号处理电路构成。电子式电压互感器通常采用电阻分压器、电容分压器、阻容分压器或光学装置作为一次电压转换器，其中电阻分压器、电容分压器及阻容分压器由于结构简单且易于实现，因而被广泛采用。当对电压谐波次数和测量准确度有较高要求时，可采用电阻分压器和电容分压器，但是电阻分压器不适合用于高压的场合，而电容分压器需要大电容值的低压电容，并且输出电压信号采集电路的输入阻抗对电容分压器传感准确度的影响较大。阻容分压器通常需要后续的积分环节以还原一次电压信号，并且阻容分压器的输出电压与一次电压之间并不是一个理想的一阶导数关系。将高压电容和微型电流互感器的一次线圈串联，也可构成一种一次电压传感器，但是流过高压电容的一次电流很小，此时微型电流互感器的传感准确度低且输出信号小，因此需要一种能对微小电流进行准确转换且输出信号大的传感器件，带间隙铁芯线圈能满足这一需求。带间隙铁芯线圈可以等效为非磁性骨架等效磁路长度仅为间隙长度的空心线圈，因此一次线圈电流很小的情况下仍然可以输出较大的电压信号。由于高压电容和带间隙铁芯线圈实现了输出电压与一次电压之间的二阶导数关系，所以利用二重积分电路将信号还原，便可方便地实现同时对一次电压的基波和谐波分量的准确传感，但是这样的电子式电压互感器未见有专利和其它文献报道。

发明内容

本发明所要解决的现有技术存在的上述问题，旨在提供一种基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，它能输出与含有谐波的一次电压成线性比例关系的电压模拟量，实现同时对一次电压基波和谐波分量的准确传感。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，它包括第一电容、带间隙的闭环铁芯、一次线圈、二次线圈、二极气体放电管、双向稳压管、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第三电容、第四电容和有过孔的环形屏蔽盒；带间隙的闭环铁芯、一次线圈、二次线圈和有过孔的环形屏蔽盒构成带间隙铁芯线圈传感器，闭环铁芯上的间隙采用非磁性材料填充，一次线圈和二次线圈分别均匀地绕制在带间隙的闭环铁芯上并一同安装在有过孔的环形屏蔽盒内，一次线圈和二次线圈的线圈端子引线由环形屏蔽盒上的过孔引出；第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容、第三电容、第四电容和第二运算放大器构成有损二重积分电路，第一电阻的一个端子作为有损二重积分电路的输入端，第一电阻的另一端子分别与第二电阻的一个端子和第二电容的一个端子相连，第二电容的另一个端子与地相连，第二电阻的另一个端子分别与第二运算放大器的反相输入端、第五电阻的一个端子和第三电容的一个端子相连，第三电容的另一个端子分别与第三电阻的一个端子和第四电容的一个端子相连，第三电阻的另一个端子与地相连，第四电容的另一个端子分别与第二运算放大器的输出端和第五电阻的另一个端子相连，第四电阻的一个端子与第二运算放大器的同相输入端相连，第四电阻的另一个端子与地相连，第二运算放大器的输出端为有损二重积分电路的输出端；第一电容为高压电容，它的一个端子分别与带间隙铁芯线圈的一次线圈的同名端和二极气体放电管的一个端子相连，带间隙铁芯线圈的一次线圈的非同名端与地相连，二极气体放电管的另一个端子与地相连，第一电容的另一个端子与地构成了电子式电压互感器一次电压的输入端口；第一运算放大器构成电压跟随器，该电压跟随器的输入端分别与双向稳压管的一个端子和带间隙铁芯线圈的二次线圈的非同名端相连，双向稳压管的另一个端子与地相连，带间隙铁芯线圈的二次线圈的同名端与地相连，电压跟随器的输出端与有损二重积分电路的输入端相连。有损二重积分电路的输出端与地构成了电子式电压互感器二次电压的输出端口。

下面对本技术方案的原理做进一步说明。

带间隙铁芯线圈的二次线圈工作在开路状态。当电子式电压互感器输入端口加上被测一次电压u₁(t)后，第一电容C₁和带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈流过电流i₁(t)。由于带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈的两个接线端子之间的电压降很小，因此有：

通过选择合适的铁芯材料磁导率铁芯间隙长度δ和铁芯等效磁路长度l_Fe，使铁芯在工作范围内有μ₀为铁芯间隙磁导率，那么可以认为激磁安匝i₁(t)N₁都作用在间隙上，即：

i₁(t)N₁＝H_δ(t)δ (2)

式中H_δ(t)为铁芯间隙的磁场强度，N₁为一次线圈的匝数。由于铁芯间隙长度δ很小，铁芯和间隙的磁感应强度相等，因此由式(2)可得铁芯磁感应强度于是带间隙铁芯线圈传感器的二次线圈的感应电压u₀(t)为：

式中互感系数S及N₂分别为铁芯等效截面积及二次线圈匝数。感应电压u₀(t)经过电压跟随器后输入有损二重积分电路，该有损二重积分电路由第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄和第二运算放大器组成。由于有损二重积分电路建立了直流信号通道，因此避免了直流信号的放大溢出现象。当R₅足够大且使得时，可得有损二重积分电路的输出电压u₂(t)为：

式中u₂(t)为电子式电压互感器的输出二次电压。联合式(1)、式(3)和式(4)，并假定初始条件i₁(0)＝0和u₁(0)＝0，可得电子式电压互感器一次电压与二次电压的关系式：

从式(5)可见该电子式电压互感器的二次电压与一次电压瞬时值之比为常数，因此它能同时对一次电压的基波及谐波分量进行准确测量。

本发明电子式电压互感器的一次电压的额定基波额定电压方均根值可达35kV，额定频率为50Hz，一次电压总谐波畸变率的限值为6％，一次电压各次谐波电压含有率的限值为5％，测量的谐波次数为第2到第25次；电子式电压互感器的二次电压的额定基波电压方均根值为2V，电子式电压互感器的额定变比等于一次电压的额定基波电压方均根值与二次电压的额定基波电压方均根值之比；电子式电压互感器的二次额定负荷为20MΩ，电子式电压互感器的基波准确度误差不超过0.2级电子式电压互感器规定的基波准确度误差限值，电子式电压互感器的各次谐波的电压误差和相位误差分别不超过2％和2°。

作为优选，带间隙铁芯采用铁基纳米晶合金材料制作而成。

作为优选，带间隙铁芯的铁芯等效磁路长度与间隙长度之比小于等于100。

作为优选，第一电阻、第二电阻和第三电阻采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

作为优选，第二电容、第三电容和第四电容采用额定电压为10V、温度从-5℃到40℃时标称温度系数为零且允许偏差为±30ppm/℃的电容。

作为优选，第一电容采用额定电压最高为40kV、温度从-5℃到40℃时标称温度系数为零且允许偏差为±30ppm/℃的电容。

本发明带来的有益效果是，(1)由高压电容、带间隙铁芯线圈及有损二重积分电路组成的电子式电压互感器实现了对一次电压的准确地传感，其模拟量输出与含有谐波的一次电压成线性比例关系；(2)由高压电容和带间隙铁芯线圈构成的一次电压传感器实现了其输出电压是一次电压的二阶导数的理想关系，克服了阻容分压器、电阻分压器及电容分压器作为一次电压传感器时各自的局限性，同时也克服了由电阻或电容和微型电流互感器构成的一次电压传感器准确度低及输出信号小的问题；(3)带间隙铁芯线圈实现了由微小电流向较大电压信号的转换，因此有利于减小高压电容的电容值；(4)利用一个运算放大器实现了二重积分电路；(5)采用有损二重积分器建立直流信号通道，避免了直流信号的放大溢出现象。

附图说明

图1是本发明的一种原理图；

图2是本发明的带间隙铁芯线圈传感器的一种结构图。

图3是图2沿D₁-D₂向的剖面图。

图中：1是第一电容，2是带间隙铁芯，3是一次线圈，4是二次线圈，5是二极气体放电管，6是双向稳压管，7是第一运算放大器，8是第二运算放大器，9是第一电阻，10是第二电阻，11是第三电阻，12是第四电阻，13是第五电阻，14是第二电容，15是第三电容，16是第四电容，17是有过孔的环形屏蔽盒。

具体实施方式

本发明提出的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其实施例如图1、图2和图3所示，它包括第一电容1、带间隙的闭环铁芯2、一次线圈3、二次线圈4、二极气体放电管5、双向稳压管6、第一运算放大器7、第二运算放大器8、第一电阻9、第二电阻10、第三电阻11、第四电阻12、第五电阻13、第二电容14、第三电容15、第四电容16和有过孔的环形屏蔽盒17；带间隙的闭环铁芯2、一次线圈3、二次线圈4和有过孔的环形屏蔽盒17构成带间隙铁芯线圈传感器，闭环铁芯2上的间隙采用非磁性材料填充，一次线圈3和二次线圈4分别均匀地绕制在带间隙的闭环铁芯2上并一同安装在有过孔的环形屏蔽盒17内，一次线圈3和二次线圈4的线圈端子引线由环形屏蔽盒17上的过孔引出；第一电阻9、第二电阻10、第三电阻11、第四电阻12、第五电阻13、第二电容14、第三电容15、第四电容16和第二运算放大器8构成有损二重积分电路，第一电阻9的一个端子作为有损二重积分电路的输入端，第一电阻9的另一端子分别与第二电阻10的一个端子和第二电容14的一个端子相连，第二电容14的另一个端子与地相连，第二电阻10的另一个端子分别与第二运算放大器8的反相输入端、第五电阻13的一个端子和第三电容15的一个端子相连，第三电容15的另一个端子分别与第三电阻11的一个端子和第四电容16的一个端子相连，第三电阻11的另一个端子与地相连，第四电容16的另一个端子分别与第二运算放大器8的输出端和第五电阻13的另一个端子相连，第四电阻12的一个端子与第二运算放大器8的同相端入端相连，第四电阻12的另一个端子与地相连，第二运算放大器8的输出端为有损二重积分电路的输出端；第一电容1的一个端子分别与带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈3的同名端和二极气体放电管5的一个端子相连，带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈3的非同名端与地相连，二极气体放电管5的另一个端子与地相连，第一电容1的另一个端子A与地N构成了电子式电压互感器一次电压u₁(t)的输入端口；第一运算放大器7构成电压跟随器，该电压跟随器的输入端分别与双向稳压管6的一个端子和带间隙铁芯线圈传感器的二次线圈4的非同名端相连，双向稳压管6的另一个端子与地相连，带间隙铁芯线圈传感器的二次线圈4的同名端与地相连，电压跟随器的输出端与有损二重积分电路的输入端相连，有损二重积分电路的输出端a与地n构成了电子式电压互感器二次电压u₂(t)的输出端口。

本实施例具体设计参数为：电子式电压互感器的一次电压的额定基波电压方均根值为10kV，额定频率为50Hz，一次电压总谐波畸变率的限值为6％，一次电压各次谐波电压含有率的限值为5％，测量的谐波次数为第2到第25次；电子式电压互感器的额定变比为5000，二次电压的额定基波电压方均根值为2V，二次额定负荷为20MΩ；电子式电压互感器的基波准确度误差不超过0.2级电子式电压互感器规定的基波准确度误差限值，电子式电压互感器各次谐波的电压误差和相位误差分别不超过2％和2°。第一电容的电容值为318pF，额定电压为20kV；带间隙的闭环铁芯采用铁基纳米晶合金材料，其截面为10×10mm²，间隙长度为2mm，铁芯等效磁路长度与间隙长度之比为70；一次线圈匝数为2000匝，二次线圈匝数为2502匝，一次线圈和二次线圈均采用单根φ0.1漆包线均匀绕制在带间隙的闭环铁芯上，线圈采用聚酯薄膜绝缘。第一电阻、第二电阻和第三电阻均采用温度漂移率需低于5ppm/℃的100kΩ纯阻性精密电阻。第二电容、第三电容和第四电容均为额定电压为10V、温度从-5℃到40℃时标称温度系数为零且允许偏差为±30ppm/℃的5000pF电容。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，包括第一电容(1)、带间隙的闭环铁芯(2)、一次线圈(3)、二次线圈(4)、二极气体放电管(5)、双向稳压管(6)、第一运算放大器(7)、第二运算放大器(8)、第一电阻(9)、第二电阻(10)、第三电阻(11)、第四电阻(12)、第五电阻(13)、第二电容(14)、第三电容(15)、第四电容(16)和有过孔的环形屏蔽盒(17)，其特征在于带间隙的闭环铁芯(2)、一次线圈(3)、二次线圈(4)和有过孔的环形屏蔽盒(17)构成带间隙铁芯线圈传感器，闭环铁芯(2)上的间隙采用非磁性材料填充，一次线圈(3)和二次线圈(4)分别均匀地绕制在带间隙的闭环铁芯(2)上并一同安装在有过孔的环形屏蔽盒(17)内，一次线圈(3)和二次线圈(4)的线圈端子引线由环形屏蔽盒(17)上的过孔引出；第一电阻(9)、第二电阻(10)、第三电阻(11)、第四电阻(12)、第五电阻(13)、第二电容(14)、第三电容(15)、第四电容(16)和第二运算放大器(8)构成有损二重积分电路，第一电阻(9)的一个端子作为有损二重积分电路的输入端，第一电阻(9)的另一端子分别与第二电阻(10)的一个端子和第二电容(14)的一个端子相连，第二电容(14)的另一个端子与地相连，第二电阻(10)的另一个端子分别与第二运算放大器(8)的反相输入端、第五电阻(13)的一个端子和第三电容(15)的一个端子相连，第三电容(15)的另一个端子分别与第三电阻(11)的一个端子和第四电容(16)的一个端子相连，第三电阻(11)的另一个端子与地相连，第四电容(16)的另一个端子分别与第二运算放大器(8)的输出端和第五电阻(13)的另一个端子相连，第四电阻(12)的一个端子与第二运算放大器(8)的同相端入端相连，第四电阻(12)的另一个端子与地相连，第二运算放大器(8)的输出端为有损二重积分电路的输出端；第一电容(1)的一个端子分别与带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈(3)的同名端和二极气体放电管(5)的一个端子相连，带间隙铁芯线圈传感器的一次线圈(3)的非同名端与地相连，二极气体放电管(5)的另一个端子与地相连，第一电容(1)的另一个端子(A)与地(N)构成了电子式电压互感器一次电压(u₁(t))的输入端口；第一运算放大器(7)构成电压跟随器，该电压跟随器的输入端分别与双向稳压管(6)的一个端子和带间隙铁芯线圈传感器的二次线圈(4)的非同名端相连，双向稳压管(6)的另一个端子与地相连，带间隙铁芯线圈传感器的二次线圈(4)的同名端与地相连，电压跟随器的输出端与有损二重积分电路的输入端相连，有损二重积分电路的输出端(a)与地(n)构成了电子式电压互感器二次电压(u₂(t))的输出端口。

2.如权利要求1所述的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其特征在于所述带间隙的闭环铁芯(2)采用铁基纳米晶合金材料制作而成。

3.如权利要求1所述的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其特征在于所述带间隙的闭环铁芯(2)的铁芯等效磁路长度与间隙长度之比小于等于100。

4.如权利要求1所述的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其特征在于所述第一电阻(9)、第二电阻(10)和第三电阻(11)采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

5.如权利要求1所述的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其特征在于所述第二电容(14)、第三电容(15)和第四电容(16)采用额定电压为10V、温度从-5℃到40℃时标称温度系数为零且允许偏差为±30ppm/℃的电容。

6.如权利要求1-5任何一项所述的基于有损二重积分电路的电子式电压互感器，其特征在于所述第一电容(1)采用额定电压最高为40kV、温度从-5℃到40℃时标称温度系数为零且允许偏差为±30ppm/℃的电容。