觸發(fā)點(diǎn)：保護(hù)繼電器中基于隔離放大器的交流電壓測量

簡介

保護(hù)繼電器用于保護(hù)高壓、中壓或低壓電力系統(tǒng)，檢測電路中的異常情況，并指揮斷路器的操作。來自被保護(hù)設(shè)備的電壓和電流輸入連接到保護(hù)繼電器。

保護(hù)電力系統(tǒng)元件需要準(zhǔn)確測量三相電壓和電流，以提供可靠的故障檢測和斷路器操作，從而最大限度地減少電力系統(tǒng)中斷。電流互感器(CT) 和電壓互感器 (PT，也稱為電壓互感器) 是開關(guān)設(shè)備應(yīng)用中電流和電壓測量最常用的傳感器。在電力應(yīng)用中連接保護(hù)繼電器時(shí)，除了測量電壓和電流外，保護(hù)繼電器與高壓側(cè)的隔離是系統(tǒng)和操作人員安全的重要要求。CT 或 PT 將保護(hù)、控制和測量設(shè)備與電力系統(tǒng)的高壓隔離，并為設(shè)備提供適當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷褐档絻?nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

電壓測量

圖1 提供了一種在保護(hù)繼電器應(yīng)用中測量電壓和電流輸入的方法。初級電壓和電流使用電壓或電流互感器降壓。次級電流或電壓被放大并連接到 ADC 以對模擬輸入進(jìn)行采樣。ADC 與信號處理系統(tǒng)連接，以處理執(zhí)行保護(hù)功能所需的故障參數(shù)。

圖1：保護(hù)繼電器的數(shù)據(jù)采集 AFE

PT 是用于測量交流電壓的最常見傳感器。PT 基本上是降壓變壓器，具有極其精確的匝數(shù)比，對被測電源的負(fù)載可以忽略不計(jì)。變壓器的初級匝數(shù)較多，次級匝數(shù)較少。每伏的匝數(shù)隨測量精度要求而變化，從而導(dǎo)致 PT 尺寸增大。

對于功率和能量測量，電壓和電流之間的相移也會(huì)影響精度，因?yàn)楣β实扔陔妷撼艘噪娏鞒艘噪妷汉碗娏髦g相位角的余弦值。保護(hù)繼電器應(yīng)用中使用的PT 和 CT 都會(huì)在輸入和輸出之間引入相移。其他重要的要求是在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有線性相移以最小化非線性。在很寬的輸入電流和電壓范圍內(nèi)具有低相位誤差的電流或電壓互感器將很昂貴，并且由于相位誤差要求，選擇 CT 或 PT 是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

電壓互感器的精度要求

表1 提供了用于測量和保護(hù)的不同等級電壓互感器在額定電壓下的電壓誤差和相位誤差要求。測量使用 0.5 或 02 級，保護(hù)使用 3P 級。精度要求由用于測試電壓互感器性能的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在保護(hù)繼電器中，用于測量交流輸入電壓的不同電壓互感器具有以下精度規(guī)格：

表1：電壓互感器精度等級(相角誤差以分鐘表示：1 度 = 60 分鐘

雖然很受歡迎，但PT 有幾個(gè)限制，包括：

比率相位誤差

理想的PT 具有與初級電壓成比例的次級電壓并且正好是同相反相。但實(shí)際上，由于一些初級和次級電壓降，您無法獲得準(zhǔn)確的次級電壓比例或準(zhǔn)確的相移。因此，PT 引入了比率誤差和相角誤差。

尺寸和重量

當(dāng)PT 旨在確保更高的準(zhǔn)確性時(shí);它們采用特殊的高質(zhì)量磁芯制成，磁芯在較低磁通密度下運(yùn)行，以具有較小的磁化電流，從而將無負(fù)載損耗降至最低。這使得 PT 體積龐大，重量也隨之增加。

輸出縮放

縮放輸出需要重新設(shè)計(jì)變壓器或在變壓器上提供多個(gè)抽頭。變壓器的大小也隨輸出縮放而變化。

測量交流電壓的另一種解決方案是使用帶有隔離放大器的電阻分壓器。該解決方案超過了傳統(tǒng)電壓互感器提供的測量精度和隔離水平。

您可以使用基于電阻的簡單分壓器進(jìn)行線/相電壓測量。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，由于功耗、連續(xù)工作電壓和浪涌電壓耐受性要求，我建議使用串聯(lián)連接的多個(gè)電阻來設(shè)計(jì)此分壓器。選擇電阻分壓器值 (>1MΩ) 以確保安全的電流水平(在最大輸入電壓下 <1mA)并選擇比率以使輸入在最大輸入電壓下縮小到 ADC 測量范圍。

電阻分壓器沒有相移，在整個(gè)范圍內(nèi)提供線性輸出，并且您可以通過仔細(xì)選擇電阻分壓器來最小化比率誤差。頻率響應(yīng)>100kHz，整體尺寸小。電阻器的衰減輸出不提供隔離，這可以通過使用隔離放大器來實(shí)現(xiàn)。隔離放大器的輸出連接到 ADC 進(jìn)行測量。與 PT 在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)相比，該解決方案通過輸入和輸出之間的可忽略相移提高了測量精度，減小了電路板尺寸和重量，簡化了設(shè)計(jì)并降低了整體系統(tǒng)成本。通過更改電阻器來調(diào)整所需的分壓比，可以輕松擴(kuò)展輸出。

TI 提供具有基本或增強(qiáng)型隔離的隔離放大器解決方案，可與電阻分壓器一起用于電壓測量;我在表 2 中列出了其中的一些以及它們的關(guān)鍵參數(shù)。

表2：隔離放大器關(guān)鍵參數(shù)

測量保護(hù)繼電器中的交流電壓和電流 以及高精度 ±0.5% 電流和隔離電壓測量參考設(shè)計(jì)的參考設(shè)計(jì)展示 了使用電阻分壓器和隔離放大器(而不是傳統(tǒng)的電壓互感器)測量交流電壓輸入的解決方案。這些參考設(shè)計(jì)具有以下功能塊：

分壓器

板載電阻分壓器將5V-300V AC的輸入電壓調(diào)整為 175mV AC。分壓器的 mV AC輸出連接到隔離放大器，以在 AC 輸入和測量 AFE 之間提供所需的隔離，并額外提供放大功能。

具有基本隔離和隔離電源的隔離放大器

AMC1200 基本隔離型放大器具有±250mV 輸入和X8 增益的差分輸出，用于測量交流輸入。共模輸出可擴(kuò)展至 1.3V 或 2.55V。

具有增強(qiáng)隔離和隔離電源的隔離放大器

AMC1301 增強(qiáng)型隔離型放大器具有 ±250mV 輸入和差分輸出，增益為 X8.2，可測量交流輸入。共模輸出可擴(kuò)展至 1.4V。隔離放大器高端工作在 5V。使用變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器產(chǎn)生所需的隔離電源。

ADC 接口

隔離放大器輸出接口連接到ADS131A04 delta-sigma ADC 的差分輸入。ADS131A04 是一款 24 位 Δ-Σ ADC，具有 0-5V (AMC1200) 和 ±2.5V (AMC1301) 的可配置輸入范圍。

參考設(shè)計(jì)中基于隔離放大器AMC1200 或 AMC1301 的電壓測量 AFE 滿足測量和保護(hù)要求的精度要求。參考設(shè)計(jì)已經(jīng)過 5-300V 交流電壓范圍內(nèi)的電壓精度性能測試。五周期測量(400 個(gè)樣本，每個(gè)周期 4,000 個(gè)樣本，50Hz)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確度。

從5-300V AC 輸入觀察到比率誤差在 ±0.2% 以內(nèi)。對于寬動(dòng)態(tài)輸入范圍，相位誤差小于 6μs 并且相同。

審核編輯：湯梓紅