專利名稱：：用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器及模擬信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器及模擬信號(hào)處理方法，屬于電力系統(tǒng)的測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：目前電力系統(tǒng)利用的電流互感器多采用電磁式電流互感器。隨著電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)和傳輸容量的大幅度提高，電磁式電流互感器明顯存在不足，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。隨著光電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、光纖通信和智能傳感器的高速發(fā)展，電子式電流互感器已成為電磁式的理想替代品。電子式電流互感器一般采用Rogowski(羅氏)線圈作為傳感頭，當(dāng)被測(cè)電流通過線圈初級(jí)繞線時(shí)，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，將會(huì)在次級(jí)繞線感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過測(cè)量感應(yīng)出的電壓信號(hào)，就可以得到被測(cè)電流的大小。由Rogowski線圈作為傳感頭的電子式電流互感器一般由以下幾部分組成傳感頭Rogowski線圈、高壓信號(hào)處理電路、高壓供電電源、光纖傳輸部分、低壓信號(hào)處理等。高壓信號(hào)處理電路主要完成放大、積分、濾波及調(diào)相等功能，由于測(cè)量過程中要加以過載保護(hù)措施，而
背景技術(shù)：
都是采用兩個(gè)回路來完成測(cè)量和過載保護(hù)，因此高壓端的功耗很大，尤其測(cè)量小電流時(shí)，高壓端的供電問題很是突出。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器及模擬信號(hào)處理方法，利用程控放大技術(shù)采用一條回路來完成測(cè)量和過載保護(hù)兩種功能，從而大大降低了高壓端信號(hào)處理的功耗本發(fā)明的目的是提出一種適用于小電流測(cè)量的電子式電流互感器信號(hào)處理器，以有效地降低功耗，減小高壓供電電源的壓力，解決
背景技術(shù)：
存在的上述問題。本發(fā)明目的是通過下面的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器包含采樣線圈、信號(hào)處理及傳輸環(huán)節(jié)、信號(hào)輸出環(huán)節(jié)，其中的信號(hào)處理環(huán)節(jié)包含前置放大電路、程控放大電路及后續(xù)處理電路，采樣線圈采集的電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，進(jìn)入信號(hào)輸出環(huán)節(jié)，其特別之處是程控放大電路包含取有效值電路、電壓比較電路、反相器及程控放大器，前置放大電路的輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到程控放大器，另一路信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路取電壓有效值，該電壓有效值信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在電壓比較器中進(jìn)行比較，得出一高低電平信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過反相器后，形成最終的控制信號(hào)，控制程控放大器的放大倍數(shù)。用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器的模擬信號(hào)處理方法包含如下步驟①采集被測(cè)電路的電壓信號(hào)；②將采集的信號(hào)進(jìn)行處理，該過程包含輸入信號(hào)的前置放大，放大輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到程控放大器，另一路信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路取電壓有效值，該電壓有效值信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在電壓比較器中進(jìn)行比較，得出一高低電平信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過反相器后，形成最終的控制信號(hào)，控制程控放大器的放大倍數(shù)；③信號(hào)輸出，顯示與被測(cè)電流成比例的電壓信號(hào)數(shù)值。本發(fā)明所說的前置放大電路接收來自傳感頭感應(yīng)出的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大，得到較強(qiáng)的電壓信號(hào)；程控放大電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，放大倍數(shù)由被測(cè)電流的大小決定即當(dāng)被測(cè)電流在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行10倍放大，如果被測(cè)電流過載，則對(duì)其進(jìn)行l(wèi)倍放大，程控放大電路由程控放大器PGA103構(gòu)成。
背景技術(shù)：
：中由于感應(yīng)電壓信號(hào)是工頻交流信號(hào)，當(dāng)它與基準(zhǔn)電壓比較時(shí)容易使程控放大部分產(chǎn)生誤動(dòng)作，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果。本發(fā)明由于真有效值轉(zhuǎn)換電路的采用，使感應(yīng)電壓信號(hào)的有效值與基準(zhǔn)電壓信號(hào)比較，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本發(fā)明的有益效果由于采用程控放大技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的功耗問題及測(cè)量精度問題進(jìn)行了改進(jìn)，使其具備了低功耗、高穩(wěn)定性、高精度等特點(diǎn)；本發(fā)明可應(yīng)用于電子式電流互感器，也可用于其他一些微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理部分，因此具有很高的使用價(jià)值；由于電子式電流互感器相對(duì)于電磁式電流互感器而言具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是電磁式電流互感器的理想替代品，預(yù)計(jì)在未來5到10年電子式電流互感器會(huì)在各種電壓等級(jí)得點(diǎn)網(wǎng)中大量安裝和使用。此外，除了在電網(wǎng)中安裝使用，還可以用于便攜式電流測(cè)量，高頻電流測(cè)量、電網(wǎng)中零序電流測(cè)量和確定電網(wǎng)中的故障地點(diǎn)等等，因此，該發(fā)明專利具有廣泛的應(yīng)用前景。圖l是本發(fā)明信號(hào)處理環(huán)節(jié)的程序框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的采樣線圈(傳感頭)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例中信號(hào)處理環(huán)節(jié)電路原理圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明。在實(shí)施例中，參照附圖l，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖，被測(cè)電流經(jīng)過傳感頭Rogowski(羅氏)線圈后感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過前置放大后分為兩路，一路直接輸入到程控運(yùn)算放大器的信號(hào)輸入端，另一路經(jīng)過取有效值后與基準(zhǔn)電壓在電壓比較器中進(jìn)行比較，比較的結(jié)果為高低電平經(jīng)過反相器以后輸入到程控運(yùn)算放大器，去控制程控放大器的增益。參照附圖2，是本發(fā)明的采樣線圈結(jié)構(gòu)示意圖，采樣線圈包含線圈骨架、初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，線圈骨架為環(huán)形，線圈骨架上設(shè)有溝槽，初級(jí)繞組設(shè)置在溝槽內(nèi)，通過密封膠將初級(jí)繞組固定在溝槽內(nèi)，在線圈骨架上纏繞次級(jí)繞組。為了提高線圈對(duì)外界電磁場(chǎng)的抗干擾性，采用了"返回匝"技術(shù)，在繞組繞線的層與層之間加入羅麥克紙，并且在線圈的最外層設(shè)置用金屬膠帶紙做的屏蔽層。采用環(huán)氧酚醛樹脂做線圈骨架，骨架結(jié)構(gòu)做成圓環(huán)形，橫截面為矩形；繞線材料初級(jí)線匝采用聚酯銅圓漆包線，次級(jí)采用無磁性聚氨酯銅圓漆包線。為了提高線圈的互感系數(shù)，首先增大了線圈骨架的尺寸，其次增加初級(jí)繞組匝數(shù)，最后采用多層繞制次級(jí)繞組。該線圈即空芯Rogowski(羅氏)線圈，Q為線圈絕緣骨架，Ri為骨架內(nèi)徑，R。為骨架外徑，h為骨架高度。設(shè)線圈初級(jí)匝數(shù)為Nh次級(jí)匝數(shù)為N2，初級(jí)線圈包在次級(jí)線圈的內(nèi)部，初級(jí)線圈通過電流為I(t)，則由磁路安培定律，可得二次線圈的感應(yīng)電勢(shì)為郝——〃2^&^e00=—2;t児A此感應(yīng)電勢(shì)輸出至后續(xù)信號(hào)處理電路。被測(cè)電流I(t)由初級(jí)線圈輸入到線圈中，根據(jù)Rogowski線圈的測(cè)量原理可知，次級(jí)線圈將會(huì)感應(yīng)出與被測(cè)電流成比例關(guān)系的電壓信號(hào)，即圖中的e(t)輸出給后續(xù)處理電路。參照附圖3，為具有程控放大功能的高壓端信號(hào)處理電路，其中包括前置放大、取有效值、電壓比較、程控放大等部分。前置放大電路為了隔離傳感頭對(duì)后續(xù)電路的影響，提高傳感頭感應(yīng)信號(hào)的抗干擾能力，并且避免信號(hào)在積分過程中被嚴(yán)重衰減，設(shè)計(jì)了用高精度運(yùn)放0P290Z構(gòu)成的反相比例運(yùn)算放大電路，在此電路中為了配合后續(xù)處理電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行2倍放大輸出。此電路的特點(diǎn)是失調(diào)小和漂移小(溫漂、零漂小)，適合于弱信號(hào)放大場(chǎng)合。程控放大電路傳感頭感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過前置放大以后，為了將信號(hào)進(jìn)一步放大，并且實(shí)現(xiàn)同一條回路完成正常測(cè)量及過載保護(hù)雙重功能，設(shè)計(jì)了程控放大電路，被測(cè)電流正常時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的10倍放大，當(dāng)信號(hào)過載超過額定值20倍時(shí)，將信號(hào)放大l倍，從而達(dá)到過載保護(hù)的目的。此部分電路由真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1066、電壓比較器Max9021、程控運(yùn)算放大器PGA103構(gòu)成。PGA103是一種高速、數(shù)控增益運(yùn)算放大器，其放大倍數(shù)可由CM0S/TTL電平所控制為1、10、100。每一增益有獨(dú)立的信號(hào)輸入端，并提供了輸入多路器功能。它可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控采集系統(tǒng)、增益可控放大系統(tǒng)等領(lǐng)域。增益的選擇是改變Ao、Ai的邏輯電平實(shí)現(xiàn)的，其邏輯關(guān)系如下表l所示。表lPGA103的邏輯電平與增益的關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>①邏輯"0":0V〈U〈0.8V;②邏輯"1":2V〈U〈US;邏輯電平是相對(duì)于3腳的電位而言。前置放大電路輸出信號(hào)一路輸出給PGA103，一路輸出給真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1966，然后將取得的有效值與參考電壓在電壓比較器MAX9021中進(jìn)行比較，比較的結(jié)果去控制程控放大電路的放大倍數(shù)。當(dāng)被測(cè)電流小于100A時(shí)，程控放大電路的放大倍數(shù)為10倍，屬正常測(cè)量；當(dāng)被測(cè)電流大于100A時(shí)，程控放大電路的放大倍數(shù)為l，達(dá)到過載保護(hù)的目的。此電路采用程控放大器PGA103，是因?yàn)樗哂懈呔?、低功耗、低溫度漂移等特點(diǎn)。具體的連接方式前級(jí)傳感頭輸出的電壓信號(hào)e(t)輸入到前置放大電路中0P290的2腳，放大2倍以后由0P290的1腳輸出。此輸出信號(hào)分為兩路，一路直接輸入到程控運(yùn)算放大器PGA103的4腳作為程控放大的輸入信號(hào)，另一路輸入到LTC1966的2腳，然后由LTC1966得5腳輸出與輸入信號(hào)的有效值相對(duì)應(yīng)的直流電壓Urms。LTC1966的1、6、8腳接地，4、7腳分別接負(fù)電源和正電源。5腳輸出電壓Urms輸入到電壓比較器Max9021的l腳與參考電壓進(jìn)行比較。在電壓比較器Max9021中，l腳接Urms，2腳接地，3腳接參考電壓Uref，Uref是由電阻Rg和Rio接到+5V電源后分壓而得。由于被測(cè)電流為額定5A時(shí)感應(yīng)電壓信號(hào)為12.5mV，經(jīng)前置放大電路2倍放大后為25mV，則當(dāng)過載20倍時(shí)，經(jīng)前置放大后電壓為O.5V，即參考電壓Uref為O.5V，所以R9、Rl0分別為lk^和9k^。Urms與Uref進(jìn)行比較后由Max9021的4腳輸出高低電平信號(hào)。當(dāng)Urms〈Uref，即被測(cè)電流小于100A時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)Urms〉Urrf，即被測(cè)電流大于100A時(shí)，比較器輸出低電平。電壓比較器的輸出信號(hào)去控制程控運(yùn)算放大器PGA103的增益，為了配合系統(tǒng)工作，輸出信號(hào)經(jīng)過反相器SN74AUP1G06后輸出到PGA103的1腳。程控運(yùn)算放大器PGA103的1腳接收來自前端反相器的輸出信號(hào)，2、3腳接地，4腳接收來自前置放大電路的輸出信號(hào)，6、8腳接負(fù)、正電源，7腳輸出。權(quán)利要求1.一種用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器，其特征在于包含采樣線圈、信號(hào)處理環(huán)節(jié)、信號(hào)輸出環(huán)節(jié)，其中的信號(hào)處理環(huán)節(jié)包含前置放大電路、程控放大電路及后續(xù)處理電路，采樣線圈采集的電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理環(huán)節(jié)后，進(jìn)入信號(hào)輸出環(huán)節(jié)，其特別之處是程控放大電路包含取有效值電路、電壓比較電路、反相器及程控放大器，前置放大電路的輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到程控放大器，另一路信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路取電壓有效值，該電壓有效值信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在電壓比較器中進(jìn)行比較，得出一高低電平信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過反相器后，形成最終的控制信號(hào)，控制程控放大器的放大倍數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器，其特征在于程控放大電路由程控放大器PGA103構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器，其特征在于所說的采樣線圈包含線圈骨架、初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，線圈骨架為環(huán)形，線圈骨架上設(shè)有溝槽，初級(jí)繞組設(shè)置在溝槽內(nèi)，通過密封膠將初級(jí)繞組固定在溝槽內(nèi)，在線圈骨架上纏繞次級(jí)繞組。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器，其特征在于采用環(huán)氧酚醛樹脂做線圈骨架；繞線材料初級(jí)線匝采用聚酯銅圓漆包線，次級(jí)采用無磁性聚氨酯銅圓漆包線。為了提高線圈的互感系數(shù)，首先增大了線圈骨架的尺寸，其次增加初級(jí)繞組匝數(shù)，最后采用多層繞制次級(jí)繞組。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器，其特征在于在繞組繞線的層與層之間加入羅麥克紙，并且在線圈的最外層設(shè)置用金屬膠帶紙做的屏蔽層。6.一種用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器的模擬信號(hào)處理方法，其特征在于包含如下步驟①采集被測(cè)電路的電壓信號(hào)；②將采集的信號(hào)進(jìn)行處理，該過程包含輸入信號(hào)的前置放大，放大輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到程控放大器，另一路信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路取電壓有效值，該電壓有效值信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在電壓比較器中進(jìn)行比較，得出一高低電平信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過反相器后，形成最終的控制信號(hào)，控制程控放大器的放大倍數(shù)；③信號(hào)輸出，顯示與被測(cè)電流成比例的電壓數(shù)值。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器的模擬信號(hào)處理方法，其特征在于所說的前置放大電路接收來自傳感頭感應(yīng)出的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大，得到較強(qiáng)的電壓信號(hào)；程控放大電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，放大倍數(shù)由被測(cè)電流的大小決定。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述之用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器的模擬信號(hào)處理方法，其特征在于當(dāng)被測(cè)電流在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行10倍放大，如果被測(cè)電流過載，則對(duì)其進(jìn)行l(wèi)倍放大。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量小電流的電子式電流互感器及模擬信號(hào)處理方法，屬于電力系統(tǒng)的測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)方案是①采集被測(cè)電路的電壓信號(hào)；②將采集的信號(hào)進(jìn)行處理，放大輸出信號(hào)分為兩路，一路輸入到程控放大器，另一路信號(hào)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換電路取電壓有效值，該電壓有效值信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在電壓比較器中進(jìn)行比較，得出一高低電平信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過反相器后，形成最終的控制信號(hào)，控制程控放大器的放大倍數(shù)；③信號(hào)輸出，顯示被測(cè)電路數(shù)值。本發(fā)明的有益效果由于采用程控放大技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的功耗問題及測(cè)量精度問題進(jìn)行了改進(jìn)，使其具備了低功耗、高穩(wěn)定性、高精度等特點(diǎn)；本發(fā)明可應(yīng)用于電子式電流互感器，也可用于其他一些微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)處理部分，因此具有很高的使用價(jià)值。文檔編號(hào)G01R15/14GK101603980SQ20091030493公開日2009年12月16日申請(qǐng)日期2009年7月29日優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日發(fā)明者侯國強(qiáng),張慶凌,賈春榮,邸志剛,郭威娜申請(qǐng)人:河北理工大學(xué)