CN114252685A - 一种电子式电压传感器及采用该电子式电压传感器的电压测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电子式电压传感器及采用该电子式电压传感器的电压测量方法，电子式电压传感器包括一次回路和二次回路。一次回路包括环形线圈。二次回路包括巨磁阻抗磁传感器，巨磁阻抗磁传感器设于环形线圈中，二次回路用于根据巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号获得一次电路的电压的频率，以及根据巨磁阻抗传感器的获得的磁场信息获得电压的有效值。本申请采用的巨磁阻抗磁传感器在环境磁场相对稳定的情况下，探测灵敏度可达20nT，通过硬件与软件的共同校正，实现极高的轴间正交度，有利于提高电子式电压传感器的抗干扰能力和测试准确度，为一二次融合设备的高精度测量提供了准确数据。

Description

一种电子式电压传感器及采用该电子式电压传感器的电压测 量方法
技术领域
本申请涉及电气设备领域，尤其涉及一种电子式电压传感器及采用该电子式电压传感器的电压测量方法。
背景技术
当前，随着现代工业的发展，电力需求不断增加，电压等级不断提升，传统的电磁式互感器存在容易发生铁磁谐振、动态特性差和精度低等不足，无法实现电能的精确测量，同时，传统的电磁式互感器输出为模拟量信号，难以适用当前电力系统的数字化、智能化的发展需要。电子式电压互感器体积小、无磁饱和，具有数字化采集、传输、处理优势，有良好的应用前景。
相关技术中，参阅图1，电容分压型电子式电压传感器，由电容分压采样电路1’、信号主调理积分电路2’、辅助调理积分电路3’、数字化处理模块4’、电/光转换模块5’、控制电路6’等组成，总体方案如图1 所示. 低压臂电容与电阻并联，再与高压臂电容串联构成一次侧电容分压模块，得到正比于电网一次侧高压的小信号，信号主调理积分电路可以放大宽频带稳态小信号，先利用C1 与C2 分压，再利用电阻R1 与C2 并联得到与电网电压幅值和相位呈一定比例的信号。 其中，为减少杂散电容的影响，高压电容C1 取值不宜过小；为提高采样电阻精度和响应速度，R1 应采用高精度电阻且阻值不宜过大。
上述电容分压式电子式电压传感器存在如下缺点：电容分压式电子式电压传感器，采用多级电容进行串联分压，这种结构易受外界条件干扰；另外电容分压器上的电容元器件与大地间存在分布电容，容易产生误差，从而影响测量的准确度；同时需要选择合适的电容，否则会导致电容分压不稳定，产生铁磁谐振。
另外，为了解决配电网中一次与二次融合中设备不匹配的问题、不断提高线路损耗的计算精度，配电网一二次融合技术被提出并得到广泛应用。其中，ECT与EVT在配电网一二次融合中，以体积小、结构简单、动态范围大等优点得到迅速普及，使得对于ECT和EVT的研究成为一二次融合领域的热点。ECT与EVT的现有结构存在抗干扰能力差、测试准确度低等缺点。
发明内容
本申请提供一种电子式电压传感器及采用该电子式电压传感器的电压测量方法，能够提高抗干扰能力和测试准确度，为一二次融合设备的高精度测量提供了准确数据。
第一方面，本申请的实施例提供了一种电子式电压传感器，包括一次回路和二次回路。一次回路包括环形线圈。二次回路包括巨磁阻抗磁传感器，巨磁阻抗磁传感器设于环形线圈中，二次回路用于根据巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号获得一次电路的电压的频率，以及根据巨磁阻抗传感器的获得的磁场信息获得电压的有效值。
在其中一些实施例中，一次回路还包括分压电容、分压电阻和熔断器，分压电容、分压电阻、环形线圈、熔断器顺序串联。
在其中一些实施例中，二次回路还包括光耦过零转换电路和定时器，光耦过零转换电路和定时器用于使得巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号经过光耦过零转换电路与定时器的处理后得到电压的频率。
在其中一些实施例中，二次回路还包括有效值转换电路和A/D转换电路，有效值转换电路和A/D转换电路用于使得巨磁阻抗磁传感器获得的磁场信息经过有效值转换电路和A/D转换电路的处理后得到电压的有效值。
在其中一些实施例中，有效值转换电路中的PWM电路模块，PWM电路模块与激励信号电路和开关信号电路连接，开关信号电路与模拟开关连接，模拟开关经积分器与滤波器连接。A/D转换电路与滤波器连接。巨磁阻抗磁传感器包括非晶丝和检测线圈。非晶丝的第一端与激励信号电路连接，非晶丝的第二端接地。检测线圈的第一端经前置反相放大器与模拟开关连接，检测线圈的第二端接地。
在其中一些实施例中，电子式电压传感器还包括屏蔽体，屏蔽体具有屏蔽功能，且屏蔽体具有容纳腔，容纳腔用于容纳一次回路和二次回路。
在其中一些实施例中，屏蔽体包括外盒体、内盒体和非导磁材料，内盒体限定出容纳腔，内盒体位于外盒体的中心处，非导磁材料填充在内盒体和外盒体之间。
在其中一些实施例中，屏蔽体的外部包裹有环氧树脂，且屏蔽体具有连接部，连接部用于供连接端子连接一次回路和导体。或者，屏蔽体具有连接线，连接线的第一端连接一次回路，连接线的第二端引出至屏蔽体的外部，用于与导体连接。
第二方面，本申请的实施例提供了一种采用上述任一实施例中的电子式电压传感器的电压测量方法，包括以下步骤：通过将多个电子式电压传感器的一次回路分别与A、B、C三相连接，令各电子式电压传感器分别测量A、B、C三相电压。使得各电子式电压传感器获得的电子信号传输至智能控制单元，实现电压的测量。
在其中一些实施例中，各电子式电压传感器的一次回路分别与开关柜的各导体连接。智能控制单元与开关柜的智能综合保护装置连接。
在其中一些实施例中，各电子式电压传感器分别固定在开关柜的A、B、C三相上，且各电子式电压传感器的一次回路通过连接端子分别与开关柜的A、B、C三相连接。或者，各电子式电压传感器均固定在开关柜的A、B、C三相外，且各电子式电压传感器的一次回路通过连接线形成的环扣分别与开关柜的A、B、C三相连接。
在其中一些实施例中，各电子式电压传感器与智能控制单元采用CAN2.0通信。智能控制单元与开关柜的智能综合保护装置采用RS485和/或CAN2.0通信。
根据本申请实施例提供的一种电子式电压传感器，包括一次回路和二次回路。一次回路包括环形线圈。二次回路包括巨磁阻抗磁传感器，巨磁阻抗磁传感器设于环形线圈中，二次回路用于根据巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号获得一次电路的电压的频率，以及根据巨磁阻抗传感器的获得的磁场信息获得电压的有效值。本申请采用的巨磁阻抗磁传感器在环境磁场相对稳定的情况下，探测灵敏度可达20nT，通过硬件与软件的共同校正，实现极高的轴间正交度，有利于提高电子式电压传感器的抗干扰能力和测试准确度，为一二次融合设备的高精度测量提供了准确数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
图1为电容分压型电子式电压互感器的工作原理示意图；
图2为本申请实施例中电子式电压传感器的工作原理示意图；
图3为本申请实施例中电子式电压传感器的模拟信号回路示意图；
图4为本申请实施例中电子式电压传感器的数字电路回路的示意图；
图5为本申请实施例中电子式电压传感器的装配示意图；
图6为本申请实施例中电子式电压传感器在测量电压时的连接示意图；
图7为本申请实施例中采用电子式电压传感器的电压测量数据的线性示意图。
具部实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具部实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参阅图2-5，本申请的实施例提供了一种电子式电压传感器1，包括一次回路10和二次回路11。
一次回路10用于连接在导体2上。一次回路10包括环形线圈100。其中，环形线圈100可以为螺旋状。此外，一次回路10可以还包括分压电容101、分压电阻102、熔断器103和接地线，分压电容101、分压电阻102、环形线圈100、熔断器103顺序串联，接地线连接在熔断器103上。其中，分压电容101和分压电阻102起到分压的作用。熔断器103起到保护的作用。接地线起到接地的作用。本申请的电子式电压传感器1的一次侧通过电阻和电容串联得到电流，不存在电容侧的测量误差和分压误差，满足了测量的精度问题。
二次回路11用于获得一次电路的电压的频率和有效值。二次回路11包括巨磁阻抗磁传感器110，巨磁阻抗磁传感器110设于环形线圈100中，使得巨磁线圈测量环形线圈100磁场变换。其中，巨磁阻抗磁传感器110包括非晶丝1100和检测线圈1101。非晶丝1100可以为CO基非晶丝。检测线圈1101为螺旋状，并绕设在非晶丝1100上。
上述条件下，二次回路11根据巨磁阻抗磁传感器110获得的电压信号获得一次电路的电压的频率，以及根据巨磁阻抗传感器的获得的磁场信息获得电压的有效值。
此外，二次回路11包括模拟信号回路111，模拟信号回路111可以包括光耦过零转换电路1110和定时器1111，光耦过零转换电路1110和定时器1111用于使得巨磁阻抗磁传感器110获得的电压信号经过光耦过零转换电路1110与定时器1111的处理后得到电压的频率。
模拟信号回路111可以还包括有效值转换电路1112和A/D转换电路1113，有效值转换电路1112和A/D转换电路1113用于使得巨磁阻抗磁传感器110获得的磁场信息经过有效值转换电路1112和A/D转换电路1113的处理后得到电压的有效值。
进一步地，模拟信号回路111还包括有效值转换电路1112中的PWM电路模块1114，以及激励信号电路1115和开关信号电路1116。
其中，PWM电路模块1114能够输出电路脉冲信号，包括激励信号和开关信号。PWM电路模块1114还与用于输出模拟信号的输出电路1117连接。
激励信号电路1115与PWM电路模块1114连接。而且，激励信号电路1115与非晶丝1100的第一端连接，而非晶丝1100的第二端接地。
开关信号电路1116连接激励信号电路1115和PWM电路模块1114。同时，基于二次回路11还包括数字电路回路112，数字电路回路112包括模拟开关1120、积分器1121、滤波器1122和前置反相放大器1123，同时还包括用于输出直流信号的can口输出端1124。开关信号电路1116经模拟开关1120、积分器1121与滤波器1122连接。其中，A/D转换电路1113与滤波器1122连接。检测线圈1101的第一端经前置反相放大器1123与模拟开关1120连接，而检测线圈1101的第二端接地。
基于上述设置，当激励信号施加在非晶丝1100上，检测线圈1101将产生检测信号，检测线圈1101的输出信号经过前置反相放大器1123进入模拟开关1120，基于模拟开关1120在开关信号控制下在检测线圈1101输出检测信号期间通，其余时间断，其获取检测信号后，发送给积分器1121，积分器1121将检测信号进行积分，得到直流信号。
另外，电子式电压传感器1可以还包括屏蔽体12，屏蔽体12具有屏蔽功能。屏蔽体12具有容纳腔120，容纳腔120容纳一次回路10和二次回路11。
屏蔽体12可以包括外盒体121、内盒体122和非导磁材料123。其中，内盒体122限定出容纳腔120，此时，一次回路10和二次回路11位于内盒体122中。内盒体122位于外盒体121的中心处。非导磁材料123填充在内盒体122和外盒体121之间。
进一步地，屏蔽体12的外部可以包裹有环氧树脂13。此时，环氧树脂13可以浇铸在屏蔽体12的外部。而且，屏蔽体12具有连接部，连接部用于供连接端子连接一次回路10和导体2。上述设置的电子式电压传感器1可以安装在导体2上，且满足导体2的绝缘强度。
或者，屏蔽体12可以具有连接线，连接线的第一端连接一次回路10，连接线的第二端引出至屏蔽体12的外部，用于与导体2连接。上述设置的电子式电压传感器1可以与作为柔性导体2的导线连接。上述设置的电子式电压传感器1无环氧树脂13的用量，从而没有环氧树脂13原材料的浇筑、灌封等繁琐的工艺流程。
本申请的电子式电压传感器1通过CO基非晶丝1100的50mA-100mA内的巨磁感应现象，并设置屏蔽体12防止杂散信号干扰，通过测量线圈磁感应技术电路电压，直接输出数字信号，提高了抗干扰能力和测试准确度，为一二次融合设备的高精度测量提供了准确数据。
此外，通过上述设置，本申请的电子式电压传感器1体积小巧，是电容式分压电压互感器的体积的五分之一，装配工艺简单、材料和工序减少，降低劳动强度。
参阅图6，本申请的实施例提供了一种采用上述任一实施例中的电子式电压传感器1的电压测量方法，包括以下步骤：
步骤一、通过将多个电子式电压传感器1的一次回路10分别与A、B、C三相连接，令各电子式电压传感器1分别测量A、B、C三相电压。
上述步骤中，各电子式电压传感器1之间相互独立。电子式电压传感器1可以包括分别与A相、B相和C相一一对应的三个。
可选地，各电子式电压传感器1的一次回路10分别与开关柜的A、B、C三相连接。进一步地，各电子式电压传感器1分别固定在开关柜的A、B、C三相上，且各电子式电压传感器1的一次回路通过连接端子分别与开关柜的A、B、C三相连接。或者，各电子式电压传感器1均固定在开关柜的A、B、C三相外，且各电子式电压传感器1的一次回路通过连接线形成的环扣分别与开关柜的A、B、C三相连接。
步骤二、使得各电子式电压传感器1获得的电子信号传输至智能控制单元3，实现电压的测量。
上述步骤中，各电子式电压传感器1与智能控制单元3可以采用CAN2.0通信，使得A、B、C三相电压可以通过CAN2.0通信传输至智能控制单元3。
各电子式电压传感器1的一次回路10分别与开关柜的A、B、C三相连接时，智能控制单元3可以与开关柜的智能综合保护装置连接。智能控制单元3与开关柜的智能综合保护装置可以采用RS485和/或CAN2.0通信。
采用本申请的电子式电压传感器1的电压测量数据如下：
调压器输出电压（V） 高压变压器输出电压（V） 传感器交流分量输出幅度（mV）
0 0 0.31-0.37
10 909 1.38-1.45
20 1818 2.41-2.46
30 2727 3.48-3.52
40 3636 4.56-4.62
50 4545 5.63-5.66
60 5454 6.67-6.72
70 6364 7.87-7.90
80 7272 8.88-8.90
90 8181 10.02-10.08
100 9090 11.08-11.17
110 9990 12.18-11.22
120 10908 13.29-11.32
130 11817 14.39-14.42
140 12726 15.43-14.49
150 13635 16.53-16.57
160 14544 17.68-17.71
从实验数据分析发现，本申请的电子式互感器的线性度好，稳定性高，测试精度0.5%以下，线性示意图参阅图7。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具部情况理解上述术语的具部含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电子式电压传感器，其特征在于，包括：
一次回路，包括环形线圈；和
二次回路，包括巨磁阻抗磁传感器，所述巨磁阻抗磁传感器设于所述环形线圈中，所述二次回路用于根据所述巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号获得所述一次电路的电压的频率，以及根据所述巨磁阻抗传感器的获得的磁场信息获得所述电压的有效值。
2.如权利要求1所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述一次回路还包括分压电容、分压电阻和熔断器，所述分压电容、所述分压电阻、所述环形线圈、所述熔断器顺序串联。
3.如权利要求1所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述二次回路还包括光耦过零转换电路和定时器，所述光耦过零转换电路和所述定时器用于使得所述巨磁阻抗磁传感器获得的电压信号经过所述光耦过零转换电路与所述定时器的处理后得到所述电压的频率。
4.如权利要求1所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述二次回路还包括有效值转换电路和A/D转换电路，所述有效值转换电路和所述A/D转换电路用于使得所述巨磁阻抗磁传感器获得的磁场信息经过所述有效值转换电路和所述A/D转换电路的处理后得到所述电压的有效值。
5.如权利要求4所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述有效值转换电路中的PWM电路模块，所述PWM电路模块与激励信号电路和开关信号电路连接，所述开关信号电路与模拟开关连接，所述模拟开关经积分器与滤波器连接；所述A/D转换电路与所述滤波器连接；
所述巨磁阻抗磁传感器包括非晶丝和检测线圈；所述非晶丝的第一端与所述激励信号电路连接，所述非晶丝的第二端接地；所述检测线圈的第一端经前置反相放大器与所述模拟开关连接，所述检测线圈的第二端接地。
6.如权利要求1所述的电子式电压传感器，其特征在于，还包括：
屏蔽体，具有屏蔽功能，且所述屏蔽体具有容纳腔，所述容纳腔用于容纳所述一次回路和所述二次回路。
7.如权利要求6所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述屏蔽体包括外盒体、内盒体和非导磁材料，所述内盒体限定出所述容纳腔，所述内盒体位于所述外盒体的中心处，所述非导磁材料填充在所述内盒体和所述外盒体之间。
8.如权利要求6所述的电子式电压传感器，其特征在于，
所述屏蔽体的外部包裹有环氧树脂，且所述屏蔽体具有连接部，所述连接部用于供连接端子连接所述一次回路和导体；或者，
所述屏蔽体具有连接线，所述连接线的第一端连接所述一次回路，所述连接线的第二端引出至所述屏蔽体的外部，用于与导体连接。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的电子式电压传感器的电压测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过将多个所述电子式电压传感器的一次回路分别与A、B、C三相连接，令各所述电子式电压传感器分别测量A、B、C三相电压；
使得各所述电子式电压传感器获得的电子信号传输至智能控制单元，实现电压的测量。
10.如权利要求9所述的电压测量方法，其特征在于，
各所述电子式电压传感器的一次回路分别与开关柜的A、B、C三相连接；
所述智能控制单元与开关柜的智能综合保护装置连接。
11.如权利要求10所述的电压测量方法，其特征在于，
各所述电子式电压传感器分别固定在所述开关柜的A、B、C三相上，且各所述电子式电压传感器的一次回路通过连接端子分别与所述开关柜的A、B、C三相连接；或者，
各所述电子式电压传感器均固定在所述开关柜的A、B、C三相外，且各所述电子式电压传感器的一次回路通过连接线形成的环扣分别与所述开关柜的A、B、C三相连接。
12.如权利要求10所述的电压测量方法，其特征在于，
各所述电子式电压传感器与所述智能控制单元采用CAN2.0通信；
所述智能控制单元与所述开关柜的智能综合保护装置采用RS485和/或CAN2.0通信。
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