CN102445583A - 一种电能质量监测装置的电压信号检测方法、电路及应用 - Google Patents
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Abstract
一种电能质量监测装置的电压信号检测方法、电路及应用，检测方法及电路为设有一级以上的放大器，被测信号分别通过串联的高阻抗电阻输入至第一级放大器的两个输入端，两个高阻抗电阻与第一级放大器输入端之间均连接有电阻分压网络，电阻分压网络连接在第一级放大器输入端与信号地之间，放大器输出测量结果。该方法用于检测三相三线或三相四线交流电，当该方法用于检测三相三线交流电时，两个相线分别连接在一条被测信号输入线上；当该方法用于检测三相四线交流电时，一条相线连接在被测信号输入线的正极上，被测信号输入线的负极上连接零线。本发明解决了高电压信号检测问题，满足对外部信号高阻输入的要求，通用于各种高精度电压信号检测的场合。
Description
技术领域
本发明公开了一种电压信号检测方法、电路及应用，特别是一种电能质量监测装置的电压信号检测方法、电路及应用。
背景技术
在当前电网运行日益复杂的情况下，相应的监测设备--电能质量监测系统得到了广泛的应用，为电网检测提供了大量的分析数据，为电网稳定运行起到不可估量的作用。随着检测技术的发展，对如何准确捕获电网变化参数提出了更为严格的要求。由于电网通常含有大量的谐波成分，同时会伴随着电压骤升骤降、波动、闪变、瞬流、雷击浪涌等情况。一般的高压输电信号在经过测量互感器后输出额定电压为100V的电压信号，或者是市电220V信号，在雷击浪涌和非线性负荷冲击影响下，能使电压在瞬时(微秒级)在-6KV～6KV之间变化，面对如此宽电压范围的信号，在保证检测到额定电压范围附近的稳态和暂态电能质量参数的同时，也要捕获到瞬态的电压变化，对电能质量检测系统的电压检测提出了很高的要求。
在传统的高电压检测领域里面，一般采用电压互感器变压得到适合电子设备检测的电压。电压互感器实际上是一个带铁心的变压器，它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘胶组成。当在一次绕组上施加一个交流电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。电压互感器广泛应用于各类高压到低压转换应用中，其电压比可根据一次和二次绕组的匝数比确定，通过调节变比，就可以得到所需的电压。但是，电压互感器存在着其固有的缺点：1、电压互感器的体积一般都比较大，而且笨重，通常在电子产品中占据很大的空间，三相系统中就需配备3～4个电压互感器；2、电压互感器二次回路不能短路，否则会导致一次回路电流过大造成灾难性的影响，对二次电路的电子器件要求比较高；3、大量的谐波成分会导致电压互感器磁通饱和，在二次侧产生比较高的电压，且波形发生改变，对电路造成影响，而电能质量监测装置需要对谐波进行精确的监测；4、电压互感器造成相位延时，电压互感器设计是按照工频50Hz的情况下设计的；5、宽范围电压输入，提高了电压互感器的绝缘强度的要求，在保证体积小的同时，电压互感器的绝缘设计成了很大的问题；为避免和减少上述问题产生，电压互感器需按特殊的工艺制造，其成本也提高。而且，利用电压互感器进行检测时，面对宽范围的电压信号输入，对电压互感器的绝缘要求也变得非常高，且含有大量的谐波成分情况下，电压互感器很容易饱和，而谐波分析是电能质量监测系统最为重要的环节。
由于电压互感器存在上述缺点，因此，人们需要寻找一种代替电压互感器变压方式，请参看附图1，通过单端电阻分压方式实现电压转换，然后采用高阻输入的运放隔离后得到分压后电压值。采用这种方式，的特点是输入信号与系统共地，输入电压与输出电压比为：Uo/Ui＝R2/(R1+R2)，调整R1和R2的值，可得到所需的比较低的电压值，从而起到降压作用。运放U1A作为缓冲隔离网络，其特点是高阻抗输入，对电阻分压网络进行隔离，避免后端对电阻分压值造成影响。但是，由于这种方式中采用了输入信号与系统共地，会导致整个电路板的地电位提高，当外部信号干扰比较大的时候，地线电位也跟随着变化，对电路精度测试造成影响，地电位变化是造成信号无法测量准确的一个重要的原因。对于如此宽范围的电压输入，显然会导致地电位的宽幅变化，导致信号无法正确测量。另外，高压地线的绝缘于其它部件的绝缘要求也是设计中的难点，必然增加结构设计的难度。
发明内容
针对上述提到的现有技术中的电压信号检测方法实现成本高、存在测量不准确或无法测量的缺点，本发明提供一种电能质量监测装置的电压信号检测方法、电路及应用，其采用差分式电阻分压网络隔离外部信号，采用多段式分压达到不同输入范围电压检测，采用高阻输入仪表放大器避免影响电阻分压值等技术，可将输入宽范围的电压且含有大量的谐波成分的信号变为可供电子设备检测的低电压信号。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种电能质量监测装置的电压信号检测方法，检测方法为设有一级以上的放大器，被测信号分别通过串联的高阻抗电阻输入至第一级放大器的两个输入端，两个高阻抗电阻与第一级放大器输入端之间均连接有电阻分压网络，电阻分压网络连接在第一级放大器输入端与信号地之间，放大器输出测量结果。
一种实现上述的电能质量监测装置的电压信号检测方法的电路，该电路包括一级以上的放大器，被测信号分别通过串联的高阻抗电阻输入至第一级放大器的两个输入端，两个高阻抗电阻与第一级放大器输入端之间均连接有电阻分压网络，电阻分压网络连接在第一级放大器输入端与信号地之间，放大器输出测量结果。
一种如上述的电能质量监测装置的电压信号检测方法的应用，该方法用于检测三相三线或三相四线交流电，当该方法用于检测三相三线交流电时，两个相线分别连接在一条被测信号输入线上；当该方法用于检测三相四线交流电时，一条相线连接在被测信号输入线的正极上，被测信号输入线的负极上连接零线。
本发明采用的技术手段进一步还包括：
所述的当放大器设有两个以上时，电阻分压网络采用两个以上串联连接的电阻组成，电阻分压网络中各个电阻的分压值依次引入至后面各级放大器的输入端。
所述的放大器输出端上连接有钳位二极管。
所述的放大器为高阻输入的仪表放大器、三运放组成的仪表放大器、差分放大器、三极管或MOS管组成的放大电路。
所述的高阻抗电阻采用塑封EE电阻或采用几个电阻串联方式实现。
所述的两条被测信号线之间跨接有压敏电阻或TVS管。
本发明的有益效果是：本发明方案可很好的解决了高电压信号检测问题，满足对外部信号高阻输入的要求，通用于各种高精度电压信号检测的场合。采用电阻分压方式得到的低压信号，可以很好的还原输入信号特性，能真实地反映信号输入变化情况；外部信号与内部信号高阻抗方式隔离，实现高阻输入低阻输出，既不会对外部输入信号造成影响，同时也简化内部电路检测方法；采用多段式分压，可满足不同的输入范围电压检测。
附图说明
图1为现有技术中的电压检测电路图。
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
请参看附图2，本发明中的电路主要包括差分式电阻分压网络、多端式电阻分压、高阻输入的仪表放大器和嵌位二极管。本实施例中，以两级放大器为例，对本发明电路进行具体说明，具体实施时，也可以根据实际需要选用一级放大器或两级以上的多级放大器，本实施例中，仪表放大器U1和仪表放大器U2分别采用高阻输入的仪表放大器，具体实施时，仪表放大器U1和仪表放大器U2也可以采用其它方式实现，比如说三运放组成的仪表放大器或差分放大器，或者采用三极管或MOS管构成的高阻状态输入的放大器等，只要是高阻状态输入的放大器电路都适用。本实施例中，仪表放大器U1的两个输入端上连接有差分式电阻分压网络，其中，电阻R1、电阻R31和电阻R32组成一组电阻分压网络，电阻R2、电阻R41和电阻R42组成另外一组电阻分压网络，这两组电阻分压网络构成差分式电阻分压网络，电阻R1和电阻R2为高阻值电阻，一般可选择阻值为R1＝R2＝20MΩ、精度为0.1％、额定功率0.5W、温漂为25ppm的电阻，电阻R1和电阻R2应具备高阻抗、高耐压值、高精度和低温漂等特性，可选用塑封EE电阻实现，对外部输入信号和内部信号进行隔离；在要求成本较低的场合，对精度要求不是很高的情况下，可选择用几个电阻串联方式实现高阻抗，高耐压等特性。外部高压信号输入Ui，经过高阻值的电阻R1和电阻R2隔离后输入仪表放大器U1，由仪表放大器U1输出检测结果。本实施例中，电阻R31和电阻R32的公共节点，电阻R41和电阻R42的公共节点，这两个节点构成另外一组分压值，并输入仪表放大器U2内，由仪表放大器U2输出检测结果。电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42的阻值较低，一般可选用阻值为R31＝R32＝R41＝R42为5K、精度为0.1％，额定功率0.25W、温漂为25ppm的电阻，电阻R31、电阻R32、电阻R41和电阻R42的阻值比较低，故叠加在上面的电压值也比较低，没有必要选用成本比较高的高耐压值电阻，只需保证高精度和低温漂特性即可。上述的电阻还需要注意其功率，具体在实际电路中选用合适大小功率的电阻。本实施例中，电阻R32和电阻R42接信号地作为参考点。
本发明通过分压电阻R31、电阻R32和电阻R41、电阻R42的分压取样，一般情况下，取R1＝R2，R31＝R41，R32＝R42，(R31+R32)＝(R41+R42)，这样两边输入电压得到平衡分压，其电流回路为：R1→R31→R32→R42→R41→R2。
仪表放大器U1两差分输入端检测低阻值电阻R31、电阻R32和电阻R41、电阻R42的压差，得到电压值：U1in＝[(R31+R32)/(R1+R31+R32)]×Uin，通过调节电阻的变比，得到适合U1输入范围的电压值，仪表放大器的电源供电由内部电路提供。
仪表放大器U2的输入电压为U2in＝[R32/(R31+R32)]×U1in。
为适应宽电压范围输入，U1out可能因为放大倍数过高，导致输出电压超出后端电路的范围，故采用嵌位二极管D1把输出电压嵌位，以免损坏后端的电路。本实施例中，嵌位二极管D1选用型号为BAV99的嵌位二极管。
仪表放大器U1输出端信号U1out和仪表放大器U2的输出端信号U2out经过信号调理后输入到模数转换器ADC中，得到数字信号供DSP处理，这属于通用方法，本发明中不做详细描述。输入信号防浪涌，防过压保护可在相应部位(即外部高压信号输入端处)增加压敏电阻和TVS管。
利用本发明进行电能质量电压信号检测时，可利用本发明对220KV、110KV、10KV等各种等级的高压信号经过测量互感器后得到额定电压为100V的交流电压值进行检测，通常为三相三线交流电或三相四线交流电等形式。当检测三相三线交流电时，两条相线分别连接在输入端上，作为输入信号Uin；当检测三相四线交流电时，输入信号Uin的正向输入端为A、B或C线，即相线，Uin负向输入端为N线，即零线，采用三组上述的模块就能实现电压转换。
利用本发明对于稳态和暂态精度检测时，由于电压变化范围在额定电压附近变化，为满足后端ADC采样需求，可选择变比比较小的窄幅变化的输出，即通过所述的仪表放大器U1通道信号输出。
利用本发明对于瞬态信号检测，因其电压范围从-6KV～+6KV之间变化，如果电阻分压网络选用比较大的变比输出，可能导致后端检测电路过压饱和，需要选择一个变比比较小的值，可选用所述仪表放大器U2通道输出。
仪表放大器U1和仪表放大器U2以差分方式检测输入电压信号，具有很高的共模抑制比，起到抑制两输入信号线的共模干扰的作用。同时，由于本发明的高阻抗输入特性(能达到109Ω)，防止对电阻分压值造成影响。在成本敏感和精度要求不是很高的场合，可以使用三运算放大器实现仪表放大器功能，也可以采用其它高阻抗输入方法如场效应管输入、运算放大器同相输入方式实现。
下面以一个具体的实例对本发明进行说明，选择电阻R1＝R2为20MΩ、0.1％、0.5W、25ppm，电阻R31＝R32＝R41＝R42为5K、0.1％，0.25W、25ppm，则仪表放大器U1两输入端的电压U1i＝0.00049975Ui，在额定电压下，U1i＝0.049975V，仪表放大器的放大倍数可以选择为10倍，对于5V供电的模数转换器，可支持3倍以上的暂态电压检测，同时也能保证额定电压附近的稳态参数的精度。
当瞬态电压从-6KV～+6KV之间变化时，U2i的输入范围为-1.49925V～+1.49925V之间变化，完全能满足后端ADC采样电压需求。
当电压范围变化比较宽的时候，U1out的输出电压值超出了ADC的检测范围，因为是稳态和暂态数据通道，可以不考虑过大的电压范围变化，此时，在U1out上的嵌位二极管D1把电压嵌位在电源VCC上，避免超过ADC的输入电压范围。
上述实施例中，为满足不同范围的电压检测，分压电阻R3采用电阻R31和电阻R32的串联方式实现和分压电阻R4采用电阻R41和电阻R42的串联方式实现，上述实施例中只分了两组不同的电压，实际中还可以根据需要选用两个以上的更多的电阻实现分压电阻R3和分压电阻R4，对应的电阻之间引出输入信号至相应的仪表放大器，仪表放大器也可以选用多个，对多路不同范围的电压比值来选择测量。
本发明方案可很好的解决了高电压信号检测问题，满足对外部信号高阻输入的要求，通用于各种高精度电压信号检测的场合。采用电阻分压方式得到的低压信号，可以很好的还原输入信号特性，能真实地反映信号输入变化情况；外部信号与内部信号高阻抗方式隔离，实现高阻输入低阻输出，既不会对外部输入信号造成影响，同时也简化内部电路检测方法；采用多段式分压，可满足不同的输入范围电压检测。
Claims (10)
1.一种电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的检测方法为设有一级以上的放大器，被测信号分别通过串联的高阻抗电阻输入至第一级放大器的两个输入端，两个高阻抗电阻与第一级放大器输入端之间均连接有电阻分压网络，电阻分压网络连接在第一级放大器输入端与信号地之间，放大器输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的当放大器设有两个以上时，电阻分压网络采用两个以上串联连接的电阻组成，电阻分压网络中各个电阻的分压值依次引入至后面各级放大器的输入端。
3.根据权利要求1或2所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的放大器输出端上连接有钳位二极管。
4.根据权利要求1或2所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的放大器为高阻输入的仪表放大器、三运放组成的仪表放大器、差分放大器、三极管或MOS管组成的放大电路。
5.根据权利要求1或2所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的高阻抗电阻采用塑封EE电阻或采用几个电阻串联方式实现。
6.根据权利要求1或2所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法，其特征是：所述的两条被测信号线之间跨接有压敏电阻或TVS管。
7.一种实现如权利要求1至6中任意一项所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法的电路，其特征是：所述的电路包括一级以上的放大器，被测信号分别通过串联的高阻抗电阻输入至第一级放大器的两个输入端，两个高阻抗电阻与第一级放大器输入端之间均连接有电阻分压网络，电阻分压网络连接在第一级放大器输入端与信号地之间，放大器输出测量结果。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征是：所述的当放大器设有两个以上时，电阻分压网络采用两个以上串联连接的电阻组成，电阻分压网络中各个电阻的分压值依次引入至后面各级放大器的输入端。
9.根据权利要求7或8所述的电路，其特征是：所述的两条被测信号线之间跨接有压敏电阻或TVS管。
10.一种如权利要求1至6中任意一项所述的电能质量监测装置的电压信号检测方法的应用，其特征是：所述的方法用于检测三相三线或三相四线交流电，当该方法用于检测三相三线交流电时，两个相线分别连接在一条被测信号输入线上；当该方法用于检测三相四线交流电时，一条相线连接在被测信号输入线的正极上，被测信号输入线的负极上连接零线。
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