關於保護繼電器中基於隔離放大器的交流電壓測量的方式分析
2020-11-30 電子發燒友保護繼電器用於保護高壓或中壓或低壓電力系統、感測電路中的異常狀況及命令斷路器的操作。來自被保護設備的電壓和電流輸入連接到保護繼電器。
保護電源系統元件需要精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源系統故障。電流互感器（CT）和電勢互感器（PT，也稱為電壓互感器）是用於開關設備應用中電流和電壓測量的最通用的傳感器。當保護繼電器連接在電力應用中時，連同電壓和電流的測量，隔離高壓側的保護繼電器是系統和操作者的安全的重要要求。CT或PT將保護、控制和測量設備與電源系統的高電壓隔離，並為設備提供適當的電流和電壓值到內部模數轉換器（ADC）。
電壓測量
圖1提供了一種用於測量保護繼電器應用中的電壓和電流輸入的方法。使用電壓或電流互感器降低初級電壓和電流。次級電流或電壓被放大並連接到ADC，用於採樣模擬輸入。ADC連接到信號處理系統，以處理執行保護功能所需的故障參數。
圖1：保護繼電器的數據採集AFE
PT是用於測量AC電壓的最常見的傳感器。PT基本上是具有非常精確的匝數比的降壓變壓器，且對被測量的電源呈現可忽略的負載。變壓器具有大量的初級匝數和數量較少的次級匝數。每伏的匝數隨測量精度要求而變化，導致PT的尺寸增大。
對於功率和能量測量，電壓和電流之間的相移還影響精度，因為功率等於電壓乘以電流，再乘以電壓和電流之間的相位角的餘弦。用於保護繼電器應用中的PT和CT都在輸入和輸出間引入相移。其它重要的要求是在整個動態範圍上具有線性相移，以將非線性降到最小。寬範圍輸入電流和電壓下，具有低相位誤差的電流或電壓變壓器的成本很昂貴，且由於相位誤差要求，選擇CT或PT是一個挑戰。
電位變壓器的精度要求
表1提供了用於測量和保護的額定電壓下不同類別的電壓互感器的電壓誤差和相位誤差要求。對於測量，使用0.5或02等級；對於保護，使用3P等級。精度要求由IEC標準規定，用於測試電壓互感器的性能。在保護繼電器中，用於測量交流輸入電壓的不同電壓互感器具有以下精度規格：
表1：電壓互感器精度等級（相位角誤差以分鐘表示：一度= 60分鐘）
雖然通用，但PT具有若干限制，包括：
比率和相位誤差。理想的PT具有與初級電壓成比例的次級電壓和精確的同相相對。但實際上，由於一些初級和次級電壓降，您不能在次級或精確相移條件下獲得精確的比例電壓。因此，PT引入比率和相位角誤差。
尺寸和重量。當PT的設計具有更高精度時，它們由在較低磁通密度下操作的特殊高質量磁芯製成，以具有小的磁化電流，因此可將無負載損失降至最低。這使得PT龐大且重量也增加。
輸出縮放。縮放輸出需要重新設計變壓器或在變壓器上提供多個分接頭。變壓器的尺寸也隨輸出縮放而變化。
用於測量AC電壓的替代解決方案是使用具有隔離放大器的電阻分壓器。這種解決方案超過了常規電壓互感器提供的測量精度和隔離水平。
您可使用簡單的電阻基分壓器進行線電壓/相電壓測量。實際應用中，由於功耗、連續工作電壓和浪湧耐壓要求，我建議由幾個串聯連接的電阻設計這個分壓器。選擇電阻分壓器值（>1MΩ）以確保安全電流電平（在最大輸入電壓時<1mA），並選擇比率，使輸入在最大輸入電壓下降至ADC測量範圍。
電阻分壓器沒有相移，在整個範圍內提供線性輸出，您可通過仔細選擇電阻分壓器來最小化比率誤差。頻率響應> 100kHz時，總體尺寸小。電阻器的衰減輸出並不提供可通過使用隔離放大器實現的隔離。隔離放大器的輸出連接到ADC用於測量。與寬動態範圍內的PT相比，該解決方案在輸入和輸出之間具有可忽略的相移，提高了測量精度，減小了電路板尺寸、重量、簡化了設計並降低了整體系統成本。通過更改電阻可輕鬆擴展輸出，以調整所需的分頻比。
TI提供具有基本或增強隔離的隔離放大器解決方案，其可與電阻分壓器一起使用，用於電壓測量；我在表2列出其中幾個解決方案，及其關鍵參數。
AMC1100
AMC1200
AMC1301
共模抑制比（典型值）（dB）
108
108
92
絕緣工作電壓VIOWM（RMS）（V）
800
800
1,000
隔離瞬態過電壓VIOTM（峰值）（V）
4,250
4,250
7,100
增益非線性（+/-）（最大）（％）
0.07
0.07
0.03
輸入電壓範圍
±250mV
±250mV
±250mV
固定增益
8
8.2
溫度增益
-40℃ 至 +105℃
-40℃ 至 +105℃
-40℃ 至 +105℃
表2：隔離放大器關鍵參數
測量保護繼電器中的交流電壓和電流的參考設計，及高精度±0.5％電流和隔離電壓測量的參考設計展示了使用電阻分壓器和隔離放大器（而不是常規電壓互感器）測量交流電壓輸入的解決方案。這些參考設計具有以下功能模塊：
電位分壓器。機載電阻分壓器將5V-300VAC的輸入電壓調節為175mVAC。分壓器的mVAC輸出連接到隔離放大器，以在AC輸入和測量AFE之間提供所需隔離，並且還提供放大。
具有基本隔離和隔離電源的隔離放大器。增益為X8的±250mV輸入和差分輸出的AMC1200基本隔離型放大器測量交流輸入。共模輸出可擴展到1.3V或2.55V。
具有增強隔離和隔離電源隔離放大器。增益為X8.2的±250mV輸入和差分輸出的AMC1301增強型隔離型放大器，可測量交流輸入。共模輸出可擴展到1.4V。隔離放大器高端在5V條件下操作。使用變壓器驅動器和低壓差（LDO）穩壓器產生所需隔離電源。
ADC接口。隔離放大器輸出連接到ADS131A04 Δ-Σ ADC的差分輸入。ADS131A04是一款24位Δ-ΣADC，可配置的輸入範圍為0-5V（AMC1200）和±2.5V（AMC1301）。
參考設計中基於隔離放大器AMC1200或AMC1301的電壓測量AFE滿足測量和保護要求的精度要求。參考設計已在寬範圍5-300V交流電壓下進行電壓精度性能測試。對於五周期測量（400個樣品，對於50Hz，每周期4,000個樣品）可實現精度要求。
5-300V AC輸入條件下，觀察到的比率誤差在±0.2％內。相位誤差小於6μs，而對於寬動態輸入範圍，相位誤差相同。
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