用于测量小电流的电子式电流互感器及模拟信号处理方法

专利名称：：用于测量小电流的电子式电流互感器及模拟信号处理方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于测量小电流的电子式电流互感器及模拟信号处理方法，属于电力系统的测量
技术领域：
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背景技术：
：目前电力系统利用的电流互感器多采用电磁式电流互感器。随着电力系统的额定电压等级和传输容量的大幅度提高，电磁式电流互感器明显存在不足，难以适应现代电力系统发展的需要。随着光电子技术、数字信号处理、光纤通信和智能传感器的高速发展，电子式电流互感器已成为电磁式的理想替代品。电子式电流互感器一般采用Rogowski(罗氏)线圈作为传感头，当被测电流通过线圈初级绕线时，由于电磁感应效应，将会在次级绕线感应出相应的电压信号，通过测量感应出的电压信号，就可以得到被测电流的大小。由Rogowski线圈作为传感头的电子式电流互感器一般由以下几部分组成传感头Rogowski线圈、高压信号处理电路、高压供电电源、光纤传输部分、低压信号处理等。高压信号处理电路主要完成放大、积分、滤波及调相等功能，由于测量过程中要加以过载保护措施，而
背景技术：
都是采用两个回路来完成测量和过载保护，因此高压端的功耗很大，尤其测量小电流时，高压端的供电问题很是突出。
发明内容本发明目的是提供一种用于测量小电流的电子式电流互感器及模拟信号处理方法，利用程控放大技术采用一条回路来完成测量和过载保护两种功能，从而大大降低了高压端信号处理的功耗本发明的目的是提出一种适用于小电流测量的电子式电流互感器信号处理器，以有效地降低功耗，减小高压供电电源的压力，解决
背景技术：
存在的上述问题。本发明目的是通过下面的技术方案实现的用于测量小电流的电子式电流互感器包含采样线圈、信号处理及传输环节、信号输出环节，其中的信号处理环节包含前置放大电路、程控放大电路及后续处理电路，采样线圈采集的电信号经过信号处理环节后，进入信号输出环节，其特别之处是程控放大电路包含取有效值电路、电压比较电路、反相器及程控放大器，前置放大电路的输出信号分为两路，一路输入到程控放大器，另一路信号经过真有效值转换电路取电压有效值，该电压有效值信号与基准信号在电压比较器中进行比较，得出一高低电平信号，该信号经过反相器后，形成最终的控制信号，控制程控放大器的放大倍数。用于测量小电流的电子式电流互感器的模拟信号处理方法包含如下步骤①采集被测电路的电压信号；②将采集的信号进行处理，该过程包含输入信号的前置放大，放大输出信号分为两路，一路输入到程控放大器，另一路信号经过真有效值转换电路取电压有效值，该电压有效值信号与基准信号在电压比较器中进行比较，得出一高低电平信号，该信号经过反相器后，形成最终的控制信号，控制程控放大器的放大倍数；③信号输出，显示与被测电流成比例的电压信号数值。本发明所说的前置放大电路接收来自传感头感应出的电压信号并对其进行放大，得到较强的电压信号；程控放大电路用于对信号进行进一步放大，放大倍数由被测电流的大小决定即当被测电流在正常范围内，进行10倍放大，如果被测电流过载，则对其进行l倍放大，程控放大电路由程控放大器PGA103构成。
背景技术：
：中由于感应电压信号是工频交流信号，当它与基准电压比较时容易使程控放大部分产生误动作，进而影响测量结果。本发明由于真有效值转换电路的采用，使感应电压信号的有效值与基准电压信号比较，从而提高系统运行的可靠性。本发明的有益效果由于采用程控放大技术对系统的功耗问题及测量精度问题进行了改进，使其具备了低功耗、高稳定性、高精度等特点；本发明可应用于电子式电流互感器，也可用于其他一些微弱信号测量系统的信号处理部分，因此具有很高的使用价值；由于电子式电流互感器相对于电磁式电流互感器而言具有很多独特的优点，是电磁式电流互感器的理想替代品，预计在未来5到10年电子式电流互感器会在各种电压等级得点网中大量安装和使用。此外，除了在电网中安装使用，还可以用于便携式电流测量，高频电流测量、电网中零序电流测量和确定电网中的故障地点等等，因此，该发明专利具有广泛的应用前景。图l是本发明信号处理环节的程序框图。图2为本发明实施例的采样线圈(传感头)结构示意图。图3是本发明实施例中信号处理环节电路原理图。具体实施例方式以下结合实施例，进一步说明本发明。在实施例中，参照附图l，为本发明的结构框图，被测电流经过传感头Rogowski(罗氏)线圈后感应出相应的电压信号，此电压信号经过前置放大后分为两路，一路直接输入到程控运算放大器的信号输入端，另一路经过取有效值后与基准电压在电压比较器中进行比较，比较的结果为高低电平经过反相器以后输入到程控运算放大器，去控制程控放大器的增益。参照附图2，是本发明的采样线圈结构示意图，采样线圈包含线圈骨架、初级绕组和次级绕组，线圈骨架为环形，线圈骨架上设有沟槽，初级绕组设置在沟槽内，通过密封胶将初级绕组固定在沟槽内，在线圈骨架上缠绕次级绕组。为了提高线圈对外界电磁场的抗干扰性，采用了"返回匝"技术，在绕组绕线的层与层之间加入罗麦克纸，并且在线圈的最外层设置用金属胶带纸做的屏蔽层。采用环氧酚醛树脂做线圈骨架，骨架结构做成圆环形，横截面为矩形；绕线材料初级线匝采用聚酯铜圆漆包线，次级采用无磁性聚氨酯铜圆漆包线。为了提高线圈的互感系数，首先增大了线圈骨架的尺寸，其次增加初级绕组匝数，最后采用多层绕制次级绕组。该线圈即空芯Rogowski(罗氏)线圈，Q为线圈绝缘骨架，Ri为骨架内径，R。为骨架外径，h为骨架高度。设线圈初级匝数为Nh次级匝数为N2，初级线圈包在次级线圈的内部，初级线圈通过电流为I(t)，则由磁路安培定律，可得二次线圈的感应电势为郝——〃2^&^e00=—2;t児A此感应电势输出至后续信号处理电路。被测电流I(t)由初级线圈输入到线圈中，根据Rogowski线圈的测量原理可知，次级线圈将会感应出与被测电流成比例关系的电压信号，即图中的e(t)输出给后续处理电路。参照附图3，为具有程控放大功能的高压端信号处理电路，其中包括前置放大、取有效值、电压比较、程控放大等部分。前置放大电路为了隔离传感头对后续电路的影响，提高传感头感应信号的抗干扰能力，并且避免信号在积分过程中被严重衰减，设计了用高精度运放0P290Z构成的反相比例运算放大电路，在此电路中为了配合后续处理电路，对输入信号进行2倍放大输出。此电路的特点是失调小和漂移小(温漂、零漂小)，适合于弱信号放大场合。程控放大电路传感头感应信号经过前置放大以后，为了将信号进一步放大，并且实现同一条回路完成正常测量及过载保护双重功能，设计了程控放大电路，被测电流正常时实现对信号的10倍放大，当信号过载超过额定值20倍时，将信号放大l倍，从而达到过载保护的目的。此部分电路由真有效值转换器LTC1066、电压比较器Max9021、程控运算放大器PGA103构成。PGA103是一种高速、数控增益运算放大器，其放大倍数可由CM0S/TTL电平所控制为1、10、100。每一增益有独立的信号输入端，并提供了输入多路器功能。它可广泛地应用于数控采集系统、增益可控放大系统等领域。增益的选择是改变Ao、Ai的逻辑电平实现的，其逻辑关系如下表l所示。表lPGA103的逻辑电平与增益的关系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>①逻辑"0":0V〈U〈0.8V;②逻辑"1":2V〈U〈US;逻辑电平是相对于3脚的电位而言。前置放大电路输出信号一路输出给PGA103，一路输出给真有效值转换器LTC1966，然后将取得的有效值与参考电压在电压比较器MAX9021中进行比较，比较的结果去控制程控放大电路的放大倍数。当被测电流小于100A时，程控放大电路的放大倍数为10倍，属正常测量；当被测电流大于100A时，程控放大电路的放大倍数为l，达到过载保护的目的。此电路采用程控放大器PGA103，是因为它具有高精度、低功耗、低温度漂移等特点。具体的连接方式前级传感头输出的电压信号e(t)输入到前置放大电路中0P290的2脚，放大2倍以后由0P290的1脚输出。此输出信号分为两路，一路直接输入到程控运算放大器PGA103的4脚作为程控放大的输入信号，另一路输入到LTC1966的2脚，然后由LTC1966得5脚输出与输入信号的有效值相对应的直流电压Urms。LTC1966的1、6、8脚接地，4、7脚分别接负电源和正电源。5脚输出电压Urms输入到电压比较器Max9021的l脚与参考电压进行比较。在电压比较器Max9021中，l脚接Urms，2脚接地，3脚接参考电压Uref，Uref是由电阻Rg和Rio接到+5V电源后分压而得。由于被测电流为额定5A时感应电压信号为12.5mV，经前置放大电路2倍放大后为25mV，则当过载20倍时，经前置放大后电压为O.5V，即参考电压Uref为O.5V，所以R9、Rl0分别为lk^和9k^。Urms与Uref进行比较后由Max9021的4脚输出高低电平信号。当Urms〈Uref，即被测电流小于100A时，比较器输出高电平；当Urms〉Urrf，即被测电流大于100A时，比较器输出低电平。电压比较器的输出信号去控制程控运算放大器PGA103的增益，为了配合系统工作，输出信号经过反相器SN74AUP1G06后输出到PGA103的1脚。程控运算放大器PGA103的1脚接收来自前端反相器的输出信号，2、3脚接地，4脚接收来自前置放大电路的输出信号，6、8脚接负、正电源，7脚输出。权利要求1.一种用于测量小电流的电子式电流互感器，其特征在于包含采样线圈、信号处理环节、信号输出环节，其中的信号处理环节包含前置放大电路、程控放大电路及后续处理电路，采样线圈采集的电信号经过信号处理环节后，进入信号输出环节，其特别之处是程控放大电路包含取有效值电路、电压比较电路、反相器及程控放大器，前置放大电路的输出信号分为两路，一路输入到程控放大器，另一路信号经过真有效值转换电路取电压有效值，该电压有效值信号与基准信号在电压比较器中进行比较，得出一高低电平信号，该信号经过反相器后，形成最终的控制信号，控制程控放大器的放大倍数。2.根据权利要求l所述之用于测量小电流的电子式电流互感器，其特征在于程控放大电路由程控放大器PGA103构成。3.根据权利要求l所述之用于测量小电流的电子式电流互感器，其特征在于所说的采样线圈包含线圈骨架、初级绕组和次级绕组，线圈骨架为环形，线圈骨架上设有沟槽，初级绕组设置在沟槽内，通过密封胶将初级绕组固定在沟槽内，在线圈骨架上缠绕次级绕组。4.根据权利要求3所述之用于测量小电流的电子式电流互感器，其特征在于采用环氧酚醛树脂做线圈骨架；绕线材料初级线匝采用聚酯铜圆漆包线，次级采用无磁性聚氨酯铜圆漆包线。为了提高线圈的互感系数，首先增大了线圈骨架的尺寸，其次增加初级绕组匝数，最后采用多层绕制次级绕组。5.根据权利要求3所述之用于测量小电流的电子式电流互感器，其特征在于在绕组绕线的层与层之间加入罗麦克纸，并且在线圈的最外层设置用金属胶带纸做的屏蔽层。6.一种用于测量小电流的电子式电流互感器的模拟信号处理方法，其特征在于包含如下步骤①采集被测电路的电压信号；②将采集的信号进行处理，该过程包含输入信号的前置放大，放大输出信号分为两路，一路输入到程控放大器，另一路信号经过真有效值转换电路取电压有效值，该电压有效值信号与基准信号在电压比较器中进行比较，得出一高低电平信号，该信号经过反相器后，形成最终的控制信号，控制程控放大器的放大倍数；③信号输出，显示与被测电流成比例的电压数值。7.根据权利要求6所述之用于测量小电流的电子式电流互感器的模拟信号处理方法，其特征在于所说的前置放大电路接收来自传感头感应出的电压信号并对其进行放大，得到较强的电压信号；程控放大电路用于对信号进行进一步放大，放大倍数由被测电流的大小决定。8.根据权利要求6所述之用于测量小电流的电子式电流互感器的模拟信号处理方法，其特征在于当被测电流在正常范围内，进行10倍放大，如果被测电流过载，则对其进行l倍放大。全文摘要本发明涉及一种用于测量小电流的电子式电流互感器及模拟信号处理方法，属于电力系统的测量
技术领域：
。技术方案是①采集被测电路的电压信号；②将采集的信号进行处理，放大输出信号分为两路，一路输入到程控放大器，另一路信号经过真有效值转换电路取电压有效值，该电压有效值信号与基准信号在电压比较器中进行比较，得出一高低电平信号，该信号经过反相器后，形成最终的控制信号，控制程控放大器的放大倍数；③信号输出，显示被测电路数值。本发明的有益效果由于采用程控放大技术对系统的功耗问题及测量精度问题进行了改进，使其具备了低功耗、高稳定性、高精度等特点；本发明可应用于电子式电流互感器，也可用于其他一些微弱信号测量系统的信号处理部分，因此具有很高的使用价值。文档编号G01R15/14GK101603980SQ20091030493公开日2009年12月16日申请日期2009年7月29日优先权日2009年7月29日发明者侯国强,张庆凌,贾春荣,邸志刚,郭威娜申请人:河北理工大学