关于保护继电器中基于隔离放大器的交流电压测量的方式分析

保护继电器用于保护高压或中压或低压电力系统、感测电路中的异常状况及命令断路器的操作。来自被保护设备的电压和电流输入连接到保护继电器。

保护电源系统元件需要精确测量三相电压和电流，以提供可靠的故障检测和断路器操作，从而最大限度地减少电源系统故障。电流互感器（CT）和电势互感器（PT，也称为电压互感器）是用于开关设备应用中电流和电压测量的最通用的传感器。当保护继电器连接在电力应用中时，连同电压和电流的测量，隔离高压侧的保护继电器是系统和操作者的安全的重要要求。CT或PT将保护、控制和测量设备与电源系统的高电压隔离，并为设备提供适当的电流和电压值到内部模数转换器（ADC）。

电压测量

图1提供了一种用于测量保护继电器应用中的电压和电流输入的方法。使用电压或电流互感器降低初级电压和电流。次级电流或电压被放大并连接到ADC，用于采样模拟输入。ADC连接到信号处理系统，以处理执行保护功能所需的故障参数。 

图1：保护继电器的数据采集AFE

PT是用于测量AC电压的最常见的传感器。PT基本上是具有非常精确的匝数比的降压变压器，且对被测量的电源呈现可忽略的负载。变压器具有大量的初级匝数和数量较少的次级匝数。每伏的匝数随测量精度要求而变化，导致PT的尺寸增大。

对于功率和能量测量，电压和电流之间的相移还影响精度，因为功率等于电压乘以电流，再乘以电压和电流之间的相位角的余弦。用于保护继电器应用中的PT和CT都在输入和输出间引入相移。其它重要的要求是在整个动态范围上具有线性相移，以将非线性降到最小。宽范围输入电流和电压下，具有低相位误差的电流或电压变压器的成本很昂贵，且由于相位误差要求，选择CT或PT是一个挑战。

电位变压器的精度要求

表1提供了用于测量和保护的额定电压下不同类别的电压互感器的电压误差和相位误差要求。对于测量，使用0.5或02等级；对于保护，使用3P等级。精度要求由IEC标准规定，用于测试电压互感器的性能。在保护继电器中，用于测量交流输入电压的不同电压互感器具有以下精度规格：

表1：电压互感器精度等级（相位角误差以分钟表示：一度= 60分钟）

虽然通用，但PT具有若干限制，包括：

比率和相位误差。理想的PT具有与初级电压成比例的次级电压和精确的同相相对。但实际上，由于一些初级和次级电压降，您不能在次级或精确相移条件下获得精确的比例电压。因此，PT引入比率和相位角误差。

尺寸和重量。当PT的设计具有更高精度时，它们由在较低磁通密度下操作的特殊高质量磁芯制成，以具有小的磁化电流，因此可将无负载损失降至最低。这使得PT庞大且重量也增加。

输出缩放。缩放输出需要重新设计变压器或在变压器上提供多个分接头。变压器的尺寸也随输出缩放而变化。

用于测量AC电压的替代解决方案是使用具有隔离放大器的电阻分压器。这种解决方案超过了常规电压互感器提供的测量精度和隔离水平。

您可使用简单的电阻基分压器进行线电压/相电压测量。实际应用中，由于功耗、连续工作电压和浪涌耐压要求，我建议由几个串联连接的电阻设计这个分压器。选择电阻分压器值（>1MΩ）以确保安全电流电平（在最大输入电压时<1mA），并选择比率，使输入在最大输入电压下降至ADC测量范围。

电阻分压器没有相移，在整个范围内提供线性输出，您可通过仔细选择电阻分压器来最小化比率误差。频率响应> 100kHz时，总体尺寸小。电阻器的衰减输出并不提供可通过使用隔离放大器实现的隔离。隔离放大器的输出连接到ADC用于测量。与宽动态范围内的PT相比，该解决方案在输入和输出之间具有可忽略的相移，提高了测量精度，减小了电路板尺寸、重量、简化了设计并降低了整体系统成本。通过更改电阻可轻松扩展输出，以调整所需的分频比。

TI提供具有基本或增强隔离的隔离放大器解决方案，其可与电阻分压器一起使用，用于电压测量；我在表2列出其中几个解决方案，及其关键参数。

AMC1100

AMC1200

AMC1301

共模抑制比（典型值）（dB）

108

108

92

绝缘工作电压VIOWM（RMS）（V）

800

800

1,000

隔离瞬态过电压VIOTM（峰值）（V）

4,250

4,250

7,100

增益非线性（+/-）（最大）（％）

0.07

0.07

0.03

输入电压范围

±250mV

±250mV

±250mV

固定增益

8

8.2

温度增益

-40℃ 至 +105℃

-40℃ 至 +105℃

-40℃ 至 +105℃

表2：隔离放大器关键参数

测量保护继电器中的交流电压和电流的参考设计，及高精度±0.5％电流和隔离电压测量的参考设计展示了使用电阻分压器和隔离放大器（而不是常规电压互感器）测量交流电压输入的解决方案。这些参考设计具有以下功能模块：

电位分压器。机载电阻分压器将5V-300VAC的输入电压调节为175mVAC。分压器的mVAC输出连接到隔离放大器，以在AC输入和测量AFE之间提供所需隔离，并且还提供放大。

具有基本隔离和隔离电源的隔离放大器。增益为X8的±250mV输入和差分输出的AMC1200基本隔离型放大器测量交流输入。共模输出可扩展到1.3V或2.55V。

具有增强隔离和隔离电源隔离放大器。增益为X8.2的±250mV输入和差分输出的AMC1301增强型隔离型放大器，可测量交流输入。共模输出可扩展到1.4V。隔离放大器高端在5V条件下操作。使用变压器驱动器和低压差（LDO）稳压器产生所需隔离电源。

ADC接口。隔离放大器输出连接到ADS131A04 Δ-Σ ADC的差分输入。ADS131A04是一款24位Δ-ΣADC，可配置的输入范围为0-5V（AMC1200）和±2.5V（AMC1301）。

参考设计中基于隔离放大器AMC1200或AMC1301的电压测量AFE满足测量和保护要求的精度要求。参考设计已在宽范围5-300V交流电压下进行电压精度性能测试。对于五周期测量（400个样品，对于50Hz，每周期4,000个样品）可实现精度要求。

5-300V AC输入条件下，观察到的比率误差在±0.2％内。相位误差小于6μs，而对于宽动态输入范围，相位误差相同。