專利名稱：數(shù)值積分式電子電流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種新型的電流變換器(互感器)。
電流傳感器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的器件，在電量測量和電力保護(hù)等許多方面都有重要作用。現(xiàn)在大多電流傳感器是采用鐵心線圈式(電磁式)互感器。由于電力系統(tǒng)中的電流互感器多工作在高電壓下，所以對接地和絕緣等諸多條件的要求使電磁式電流互感器笨重，昂貴，易受干擾。且由于使用鐵磁材料當(dāng)電流很大時就會產(chǎn)生磁飽和，嚴(yán)重的影響了測量精度，引起保護(hù)裝置誤動作。為了在電力系統(tǒng)中特別是高電壓，大容量的系統(tǒng)，精確檢測電流，設(shè)計出精確，無飽和，抗干擾，廉價的電流傳感器(互感器)意義重大。所以我發(fā)明了這種數(shù)值積分式電子電流變換器。
本發(fā)明的系統(tǒng)組成見附1。測量原理是這樣的待測電流i通過互感器。為了避免鐵磁材料的磁飽合和提高測量精度，本發(fā)明中的互感器采用空心互感器(如羅哥夫斯基線圈)。電力系統(tǒng)中電流一般是由基波和諧波疊加組成，可表示為 二次側(cè)接入高輸入阻抗的放大器，原理上可以認(rèn)為二次開路，則經(jīng)放大器調(diào)整后的電壓為(K1為放大器的放大倍數(shù)，M為互感器的互感) 從上式中可知u1不能線性反映電流值，所以對u1積分產(chǎn)生u2 令C等于0，可見u2線性反映電流值。只要測定u2就可知i。
當(dāng)前出現(xiàn)的此類電子電流變換器的積分環(huán)節(jié)是通過模擬積分器完成的，用這種方法很難進(jìn)行高精度測量。因?yàn)?，首先，積分器的組成中有電容，而電容的容量易受外界溫度的影響；其次，一般電子電流變換器要求的是數(shù)字輸出，上述的作法增加了模擬環(huán)節(jié)，增加了失真。
基于上述方法的缺點(diǎn)，我設(shè)計了數(shù)值積分式電子電流變換器，它對u1的積分不是通過模擬積分器完成的，而是先數(shù)字化再通過數(shù)值積分的方法完成的(見附1)。這樣避開了電容的影響，減少了模擬環(huán)節(jié)，提高了測量精度。
其具體是這樣實(shí)現(xiàn)的待測電流在互感器二次側(cè)上感應(yīng)出的電壓經(jīng)高輸入阻抗的變換電路后生成u1數(shù)字化(A/D變換)后，數(shù)字信息送給數(shù)值積分電路進(jìn)行數(shù)值積分，數(shù)字化的積分結(jié)果通過通信接口電路調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的輸出格式輸出。
因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中待測電流一般是在高電壓線路中，為了解決絕緣問題和避免信號傳輸中的電磁干擾，u1的數(shù)字值可以通過光纖傳輸(如附1所示)。
數(shù)值積分可以采用的方法很多，如插值型積分的(復(fù)化)梯形公式，(復(fù)化)Simpson公式，(復(fù)化)Cotes公式等等，還可以用Romberg方法進(jìn)行加速及Gauss型求積公式等等。進(jìn)行數(shù)值積分時的步長是由u1數(shù)字化的頻率(采樣頻率)決定的。
為了防止數(shù)值積分的積分漂移(積分結(jié)果中有直流分量或低頻分量)，可以引入負(fù)反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋修正。反饋環(huán)節(jié)一般可用低通濾波起或/和積分器組成。
注u1也可以是待測電流流過一小電感L在電感L上產(chǎn)生的電壓，這時公式(2)(3)中M換為L同樣適用；互感器的二次側(cè)電壓如果在測量范圍內(nèi)，也可以不經(jīng)電壓變換電路直接進(jìn)行數(shù)字化，這樣節(jié)省了一節(jié)模擬處理，可能進(jìn)一步提高精度；在一些低壓環(huán)境或絕緣要求可以達(dá)到的情況下，u1的數(shù)字化值可以直接通過電纜傳輸；本發(fā)明是由四部分組成(見圖1)互感器1，互感器輸出電壓數(shù)字化電路2， 數(shù)值積分求取電流數(shù)字值電路3，通信接口電路4?；ジ衅?的感應(yīng)二次電壓連入互感器輸出電壓數(shù)字化電路2進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化結(jié)果經(jīng)光纖輸出給數(shù)值積分求取電流數(shù)字值電路3進(jìn)行數(shù)值積分，積分結(jié)果由通信接口電路4整理為標(biāo)準(zhǔn)格式輸出。
互感器1用非鐵心互感器最好?；ジ衅鬏敵鲭妷簲?shù)字化電路2中的采樣頻率是由數(shù)值積分求取電流數(shù)字值電路3中的控制電路控制?；ジ衅鬏敵鲭妷簲?shù)字化電路2中的電源產(chǎn)生有五種方法電力線采電，太陽能電池，由地面經(jīng)光纖送光功率光電轉(zhuǎn)變后產(chǎn)生，電池組供電及由地面直接送電。最后一種方法最不好，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的電源與電線有很大的電壓，因此系統(tǒng)對絕緣要求太高而增加了成本，建議不要使用。而前四種產(chǎn)生的電源可以是懸空的，可以與被測電線同電位。
這種數(shù)值積分式電子電流變換器比傳統(tǒng)的電流變換器有以下優(yōu)點(diǎn)1精度高。
2有很好的電氣絕緣，體積小。
3直接數(shù)字輸出。
4抗電磁干擾能力強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。
圖2是實(shí)施例圖。
實(shí)施例如果要設(shè)計的電流傳感器的額定值是1000A(有效值)，50Hz，16位數(shù)字輸出，測量用。設(shè)計如下互感器采用空心互感器，互感M＝0.000001H，根據(jù)式(2)則互感器二次側(cè)輸出電壓額定值為0.444063V(最大值)。電壓變換電路采用放大器的放大系數(shù)，K1＝2，R1＝R2＝1MΩ。本例中A/D轉(zhuǎn)換器采用12位(滿為5V)，額定最大輸出為0.44063*2*0FFFH/5＝2D1H。數(shù)值積分方法為最簡單的變形的復(fù)化梯形積分，即累加器實(shí)現(xiàn)，20位。根據(jù)IEC 60044-8關(guān)于電子電流變換器的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字輸出測量用變換器的輸出額定值為2D41H(均方根值)，起額定值的最大值為3FFDH。u1的采樣頻率f即復(fù)化積分步長的倒數(shù)可近似看為式(3)中的K2，所以推出3FFD0H＜K2*2D1H/314＜3FFDFH，即114144.444＜K2＜114151，所以選f＝114.148KHz，即采樣周期8.8微秒。反饋調(diào)整環(huán)節(jié)采用數(shù)字低通濾波器，截止頻率為10Hz，輸出結(jié)果對累加器進(jìn)行減法運(yùn)算。20位累加器累加結(jié)果送給通信接口電路，截取高16位并按IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)字輸出。從而實(shí)現(xiàn)了額定值為1000A，精度16位，數(shù)值積分式電子電流變換器。
權(quán)利要求
一種電子電流變換器，其特征在于采用了電壓數(shù)字化后數(shù)值積分測知電流數(shù)字值的測量原理，即待測電流通過二次側(cè)開路的互感器感應(yīng)出電壓(或再經(jīng)變換后產(chǎn)生)u1，對u1A/D轉(zhuǎn)換后生成的數(shù)字值進(jìn)行數(shù)值積分而測知待測電流數(shù)字值的測量原理。
全文摘要
數(shù)值積分式電子電流變換器是用來測量交流電流的。本發(fā)明采用新穎數(shù)值積分的測量原理,擺脫了用模擬積分器的不穩(wěn)定問題。實(shí)現(xiàn)精度高,無磁飽和,線性好,抗干擾能力強(qiáng),有很好的電氣絕緣性能并且直接數(shù)字輸出。主要用于電力系統(tǒng)高壓或電磁干擾大的環(huán)境中的電量測量,繼電保護(hù)等。
文檔編號G01R19/25GK1357764SQ00135020
公開日2002年7月10日 申請日期2000年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月7日
發(fā)明者張永 申請人:張永