CN109884378A - 一种基于pcb型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，包括：PCB型罗氏线圈、积分电路、正向放大电路、反向放大电路。本发明提供的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，提供触发信号，方便与微处理器相结合；PCB型罗氏线圈具有制作简单，性能一致性好，且不会饱和的特点；可以满足避雷器动作电流测量的准确性要求。

Description

一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路
技术领域
本发明涉及一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，属于电力系统电流测量技术领域。
背景技术
目前，对氧化锌阀片的动作电流试验都是采用单脉冲电流波，然而无论是直击雷还是感应雷，大多是双脉冲或多脉冲，现场运行的避雷器承受更严峻的考验。由于避雷器多次动作的间隙时间很短，避雷器计数器不能真实的记录避雷器的动作次数，也不具备测量动作电流的能力。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路；PCB型罗氏线圈具有制作简单，性能一致性好，且不会饱和的特点，是测量避雷器动作电流的理想元件。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，包括：PCB型罗氏线圈、积分电路、正向放大电路、反向放大电路；所述PCB型罗氏线圈连接所述积分电路，所述积分电路的输出分别连接正向放大电路和反向放大电路；所述正向放大电路的输出连接有第一保持和中断触发信号电路和第一峰值保持电路；所述反向放大电路的输出连接有第二保持和中断触发信号电路和第二峰值保持电路；所述第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路的输出分别连接第一峰值保持电路和第二峰值保持电路；
所述PCB型罗氏线圈是在电路板两面布置线路形成线圈的PCB板，测量时，将所述PCB型罗氏线圈贴附在待测导线表面；根据公式计算：
线圈互感系数M的值为M＝μ0NhIn(R/r)/2π
线圈的自感L0为：
线圈的感应电动势为：
其中，i1为原边电流；i2为副边电流；e(t)为感应电势；R0为线圈自阻；L0为线圈自感；C0为线圈杂散电容；ZL为负载阻抗；N为线圈匝数；μ0为空气的磁导率；r、R分别为环形线圈结构的内外径；h为罗氏线圈的截面高度；
当时,则负载为RC积分回路,与线圈一起构成外积分式罗氏线圈；
当时，则负载为电阻负载,与线圈一起构成自积分式罗氏线圈。
上述方案进一步的改进在于：所述积分电路包括标准电压电路和积分器。
上述方案进一步的改进在于：所述标准电压电路包括第一运算放大器、串联在电源和地之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻的连接节点与所述第一运算放大器的正向输入端连接；所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端即为所述标准电压电路的输出端。
上述方案进一步的改进在于：所述积分器包括第二运算放大器、连接在所述第二运算放大器反向输入端和输出端之间的第一电容和第二电阻；所述运算放大器的反向输入端还通过第一电阻连接所述PCB型罗氏线圈的输出端一极，所述运算放大器的正向输入端连接所述PCB型罗氏线圈的输出端另一极和所述第一运算放大器的输出端。
上述方案进一步的改进在于：所述正向放大电路和反向放大电路均为由运算放大器构成的放大电路。
上述方案进一步的改进在于：所述第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路均为由运算放大器构成的比较器。
上述方案进一步的改进在于：所述第一峰值保持电路包括：第三运算放大器、第四运算放大器和第一三极管；所述第三运算放大器的正向输入端连接所述正向放大电路的输出；所述第三运算放大器的反向输入端正向串联第三二极管后连接所述第三运算放大器的输出端；所述第三运算放大器的输出端正向串联第四二极管后连接所述第四运算放大器的正向输入端；所述第四运算放大器的输出端连接反向输入端；所述第四运算放大器的反向输入端还通过第十七电阻连接所述第三运算放大器的反相输入端；所述第四运算放大器的正向输入端连接所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极通过第十八电阻连接所述第一保持和中触发信号的输出；所述第一三极管的发射极通过第十九电阻接地；所述第四运算放大器的正向输入端还通过第三电容接地。
上述方案进一步的改进在于：所述第二峰值保持电路包括：第五运算放大器、第六运算放大器和第二三极管；所述第五运算放大器的正向输入端连接所述反向放大电路的输出；所述第五运算放大器的反向输入端正向串联第五二极管后连接所述第五运算放大器的输出端；所述第五运算放大器的输出端正向串联第六二极管后连接所述第六运算放大器的正向输入端；所述第六运算放大器的输出端连接反向输入端；所述第六运算放大器的反向输入端还通过第二十电阻连接所述第五运算放大器的反相输入端；所述第六运算放大器的正向输入端连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极通过第二十一电阻连接所述第二保持和中断触发信号的输出；所述第二三极管的发射极通过第二十二电阻接地；所述第六运算放大器的正向输入端还通过第四电容接地。
本发明提供的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明电路中提供触发信号，方便与微处理器相结合；2)本发明的PCB型罗氏线圈具有制作简单，性能一致性好，且不会饱和的特点；3)本发明的测量电路可以满足避雷器动作电流测量的准确性要求。
附图说明
图1为本发明的避雷器动作电流测量电路结构图。
图2为本发明的PCB型罗氏线圈的PCB图。
图3为本发明的PCB型罗氏线圈的基本原理图。
图4为本发明的积分器电路图。
图5为本发明的正向放大器电路图。
图6为本发明的反向放大器电路图。
图7为本发明的保持和中断触发信号电路图。
图8为本发明的峰值保持电路图。。
具体实施方式
实施例
本实施例基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，如图1，包括：PCB型罗氏线圈、积分电路、正向放大电路、反向放大电路；PCB型罗氏线圈连接积分电路，积分电路的输出分别连接正向放大电路和反向放大电路；正向放大电路的输出连接有第一保持和中断触发信号电路和第一峰值保持电路；反向放大电路的输出连接有第二保持和中断触发信号电路和第二峰值保持电路；第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路的输出分别连接第一峰值保持电路和第二峰值保持电路。当接地引下线中有动作电流流过时，罗氏线圈输出微分信号，积分电路将微分信号积分还原动作电流信号。由于云层对大地的放电分为正地闪和负地闪，即电流方向的不同。将还原之后的动作电流信号分别经过正向放大电路和反向放大电路，分别复现动作电流的正负向信号。分别通过比保持和中断触发信号电路，如果正向电流或负向电流大于阀值，则比较器输出高(低)电平信号H+或H-。H+或H-分别触发微处理器的AD采样中断，对动作电流峰值信号采样读取。
如图2，PCB型罗氏线圈是在电路板两面布置线路形成线圈的PCB板。测量时，将PCB型罗氏线圈贴附在待测导线表面；如图3，根据公式计算：
线圈互感系数M的值为M＝μ0NhIn(R/r)/2π；
线圈的自感L0为：
线圈的感应电动势为：
其中，i1为原边电流；i2为副边电流；e(t)为感应电势；R0为线圈自阻；L0为线圈自感；C0为线圈杂散电容；ZL为负载阻抗；N为线圈匝数；μ0为空气的磁导率；r、R分别为环形线圈结构的内外径；h为罗氏线圈的截面高度；
当时,则负载为RC积分回路,这样，负载与罗氏线圈一起构成外积分式罗氏线圈，此时i2超前i190度，再进过积分电路又将滞后90度，则和i1(t)同相；
当则负载为电阻负载,这样，负载与罗氏线圈一起构成自积分式罗氏线圈，此时，i2按比例完全复现i1,线圈连接一个小的电阻负载,测量电阻两端的信号来确定电流。
PCB型罗氏线圈通过计算机辅助设计将印制导线均匀布置在印制电路板上,数字加工技术能从工艺上保证线匝的截面积相等。这样制作出的线圈,不仅克服了传统式的罗氏线圈的缺点,而且灵敏度、测量精度及性能稳定性都要优于传统的由铜线绕制的线圈。制作线圈只需将其布线图在电脑上绘制,简便快捷。线圈由数控机床生产,避免了繁琐的绕制过程,可以缩短线圈加工的周期,提高生产的效率，适宜大批量生产。
如图4，积分电路包括标准电压电路和积分器。
其中，标准电压电路包括第一运算放大器、串联在电源和地之间的电阻R3和电阻R4，电阻R3和电阻R4的连接节点与第一运算放大器的正向输入端连接；第一运算放大器的反向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即为标准电压电路的输出端。
积分器包括第二运算放大器、连接在第二运算放大器反向输入端和输出端之间的电容C1和电阻R2；运算放大器的反向输入端还通过电阻R1连接PCB型罗氏线圈的输出端一极，运算放大器的正向输入端连接PCB型罗氏线圈的输出端另一极和第一运算放大器的输出端。
用于测量避雷器动作电流的PCB型罗氏线圈一般面积较小，为了获得更高的互感系数，线圈匝数多，线径就比较小，导致绕组的电阻比较大，一般会采用外积分电路，还原原边电流。由于动作电流有正极性也有负极性，而运放采用单电源供电，且一般微处理器只能采样正电压信号，因此需要把动作电流信号提升到正电压范围内。使用两个阻值相同的电阻R3、R4取得电压VCC/2，并与罗氏线圈一端和积分电路正相端相连，相当于把罗氏线圈信号加上VCC/2，则无论罗氏线圈输出是正还是负，积分输出都是正。其中R1是输入电阻，C1是积分电容，R2是泄放电阻，减少积分偏移。
如图5和图6，正向放大电路和反向放大电路均为由运算放大器构成的放大电路，两者结构相似，其差别在于，正向放大电路的VCC连接反向输入端，反向放大电路的VCC连接正向输入端；这是由于雷电分为正地闪和负地闪，即积分放大器输出OUT有正负之分，为了增大采样精度，分辨雷电流方向。设计正负向放大器电路，分别复现正负向电流信号。
正向放大器输出：U[out+]＝U[out]*(1+R7/R6+R7/R5)-R7/R5*Vcc；
反向放大器输出：U[out-]＝(1+R11/R10)*V-R11/R10*Uout；
如图7，第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路均为由运算放大器构成的比较器，两者结构一致。一般情况下，避雷器动作次数不多，微处理器宜处于被动等待状态，当避雷器发生动作时，电路发出请求信号，微处理响应信号并读取信号，这也有利于测量单元的低功耗设计。当没有动作电流信号时，OUT+电压低于正相端电压，左侧比较器输出为高，即右侧比较器正向输入端为高，高于右侧比较器负向输入端，右侧比较器输出为高，即H+为高。当动作电流信号来后，OUT+信号端高于正相端电压，左侧比较器输出拉低，右侧比较器正向输入端为低，低于右侧比较器负向输入端，右侧比较器输出拉低，即H+为低。当动作电流信号结束后，OUT+信号端回到正常状态，左侧比较器输出为高，通过电阻R16向C2充电。当C2上电压高于比较器2负向输入端后，左侧比较器回归没有雷电流信号的状态，输出为高。通过调整R12和R13的阻值，控制OUT+触发的阀值；调整R16和C2的值，控制保持时间；调整R14、R15的阻值，控制保持时间和比较器2触发阀值。
如图8，第一峰值保持电路包括：运算放大器U1、运算放大器U2和第一三极管；运算放大器U1的正向输入端连接正向放大电路的输出；运算放大器U1的反向输入端正向串联二极管D2后连接运算放大器U1的输出端；运算放大器U1的输出端正向串联二极管D4后连接运算放大器U2的正向输入端；运算放大器U2的输出端连接反向输入端；运算放大器U2的反向输入端还通过电阻R17连接运算放大器U1的反相输入端；运算放大器U2的正向输入端连接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过电阻R18连接第一保持和中断触发信号的输出；第一三极管的发射极通过电阻R19接地；运算放大器U2的正向输入端还通过电容C3接地。
同样的，第二峰值保持电路结构与第一峰值保持电路结构完全一致，区别在于，其连接点连接对应的反向放大电路相迎的信号位，不再赘述。
第一峰值保持电路和第二峰值保持电路，当动作电流信号来后，中断触发信号电路输出H+为低，此时三极管关断。OUT+信号端为高电平，经过运放U1电压跟随也输出高电平OUT+。通过二极管D4向C3充电。电容C3的电压为OUT+，经过运放U2电压跟随也输出高电平OUT+。当没有动作电流信号时，H+为高，三极管导通，电容C3通过电容R19放电，峰值保持信号结束。
由此，在PCB型罗氏线圈检测到电流后，由积分电路还原，再经过放大，由保持和终端触发信号电路发出触发信号给外接的处理器影响启动进行工作，并由峰值保持电路将对应的电流数据发出，通过外接的处理器进行处理即可。外接设备可以采用任何适应本实施例的结构，本实施例本身提供触发信号，便于外接设备处理。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于，包括：PCB型罗氏线圈、积分电路、正向放大电路、反向放大电路；所述PCB型罗氏线圈连接所述积分电路，所述积分电路的输出分别连接正向放大电路和反向放大电路；所述正向放大电路的输出连接有第一保持和中断触发信号电路和第一峰值保持电路；所述反向放大电路的输出连接有第二保持和中断触发信号电路和第二峰值保持电路；所述第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路的输出分别连接第一峰值保持电路和第二峰值保持电路；
所述PCB型罗氏线圈是在电路板两面布置线路形成线圈的PCB板，测量时，将所述PCB型罗氏线圈贴附在待测导线表面；计算线圈的自感L0为：
其中，i2为副边电流；L0为线圈自感；ZL为负载阻抗；N为线圈匝数；μ0为空气的磁导率；r、R分别为环形线圈结构的内外径；h为罗氏线圈的截面高度；
当时，则负载为RC积分回路，所述PCB型罗氏线圈与负载构成外积分式罗氏线圈；
当时，则负载为电阻负载，所述PCB型罗氏线圈与负载构成自积分式罗氏线圈。
2.根据权利要求1所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述积分电路包括标准电压电路和积分器。
3.根据权利要求2所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述标准电压电路包括第一运算放大器、串联在电源和地之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻的连接节点与所述第一运算放大器的正向输入端连接；所述第一运算放大器的反向输入端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端即为所述标准电压电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述积分器包括第二运算放大器、连接在所述第二运算放大器反向输入端和输出端之间的第一电容和第二电阻；所述运算放大器的反向输入端还通过第一电阻连接所述PCB型罗氏线圈的输出端一极，所述运算放大器的正向输入端连接所述PCB型罗氏线圈的输出端另一极和所述第一运算放大器的输出端。
5.根据权利要求1所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述正向放大电路和反向放大电路均为由运算放大器构成的放大电路。
6.根据权利要求1所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述第一保持和中断触发信号电路和第二保持和中断触发信号电路均为由运算放大器构成的比较器。
7.根据权利要求1所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述第一峰值保持电路包括：第三运算放大器、第四运算放大器和第一三极管；所述第三运算放大器的正向输入端连接所述正向放大电路的输出；所述第三运算放大器的反向输入端正向串联第三二极管后连接所述第三运算放大器的输出端；所述第三运算放大器的输出端正向串联第四二极管后连接所述第四运算放大器的正向输入端；所述第四运算放大器的输出端连接反向输入端；所述第四运算放大器的反向输入端还通过第十七电阻连接所述第三运算放大器的反相输入端；所述第四运算放大器的正向输入端连接所述第一三极管的集电极，所述第一三极管的基极通过第十八电阻连接所述第一保持和中断触发信号的输出；所述第一三极管的发射极通过第十九电阻接地；所述第四运算放大器的正向输入端还通过第三电容接地。
8.根据权利要求1所述的基于PCB型罗氏线圈的避雷器动作电流测量电路，其特征在于：所述第二峰值保持电路包括：第五运算放大器、第六运算放大器和第二三极管；所述第五运算放大器的正向输入端连接所述反向放大电路的输出；所述第五运算放大器的反向输入端正向串联第五二极管后连接所述第五运算放大器的输出端；所述第五运算放大器的输出端正向串联第六二极管后连接所述第六运算放大器的正向输入端；所述第六运算放大器的输出端连接反向输入端；所述第六运算放大器的反向输入端还通过第二十电阻连接所述第五运算放大器的反相输入端；所述第六运算放大器的正向输入端连接所述第二三极管的集电极，所述第二三极管的基极通过第二十一电阻连接所述第二保持和中断触发信号的输出；所述第二三极管的发射极通过第二十二电阻接地；所述第六运算放大器的正向输入端还通过第四电容接地。
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