触发点：保护继电器中基于隔离放大器的交流电压测量

简介

保护继电器用于保护高压、中压或低压电力系统，检测电路中的异常情况，并指挥断路器的操作。来自被保护设备的电压和电流输入连接到保护继电器。

保护电力系统元件需要准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力系统中断。电流互感器(CT) 和电压互感器 (PT，也称为电压互感器) 是开关设备应用中电流和电压测量最常用的传感器。在电力应用中连接保护继电器时，除了测量电压和电流外，保护继电器与高压侧的隔离是系统和操作人员安全的重要要求。CT 或 PT 将保护、控制和测量设备与电力系统的高压隔离，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 提供了一种在保护继电器应用中测量电压和电流输入的方法。初级电压和电流使用电压或电流互感器降压。次级电流或电压被放大并连接到 ADC 以对模拟输入进行采样。ADC 与信号处理系统连接，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 是用于测量交流电压的最常见传感器。PT 基本上是降压变压器，具有极其精确的匝数比，对被测电源的负载可以忽略不计。变压器的初级匝数较多，次级匝数较少。每伏的匝数随测量精度要求而变化，从而导致 PT 尺寸增大。

对于功率和能量测量，电压和电流之间的相移也会影响精度，因为功率等于电压乘以电流乘以电压和电流之间相位角的余弦值。保护继电器应用中使用的PT 和 CT 都会在输入和输出之间引入相移。其他重要的要求是在整个动态范围内具有线性相移以最小化非线性。在很宽的输入电流和电压范围内具有低相位误差的电流或电压互感器将很昂贵，并且由于相位误差要求，选择 CT 或 PT 是一项挑战。

电压互感器的精度要求

表1 提供了用于测量和保护的不同等级电压互感器在额定电压下的电压误差和相位误差要求。测量使用 0.5 或 02 级，保护使用 3P 级。精度要求由用于测试电压互感器性能的 IEC 标准规定。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(相角误差以分钟表示：1 度 = 60 分钟

虽然很受欢迎，但PT 有几个限制，包括：

比率相位误差

理想的PT 具有与初级电压成比例的次级电压并且正好是同相反相。但实际上，由于一些初级和次级电压降，您无法获得准确的次级电压比例或准确的相移。因此，PT 引入了比率误差和相角误差。

尺寸和重量

当PT 旨在确保更高的准确性时;它们采用特殊的高质量磁芯制成，磁芯在较低磁通密度下运行，以具有较小的磁化电流，从而将无负载损耗降至最低。这使得 PT 体积庞大，重量也随之增加。

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抽头。变压器的大小也随输出缩放而变化。

测量交流电压的另一种解决方案是使用带有隔离放大器的电阻分压器。该解决方案超过了传统电压互感器提供的测量精度和隔离水平。

您可以使用基于电阻的简单分压器进行线/相电压测量。在实际实现中，由于功耗、连续工作电压和浪涌电压耐受性要求，我建议使用串联连接的多个电阻来设计此分压器。选择电阻分压器值 (>1MΩ) 以确保安全的电流水平(在最大输入电压下 <1mA)并选择比率以使输入在最大输入电压下缩小到 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，并且您可以通过仔细选择电阻分压器来最小化比率误差。频率响应>100kHz，整体尺寸小。电阻器的衰减输出不提供隔离，这可以通过使用隔离放大器来实现。隔离放大器的输出连接到 ADC 进行测量。与 PT 在宽动态范围内相比，该解决方案通过输入和输出之间的可忽略相移提高了测量精度，减小了电路板尺寸和重量，简化了设计并降低了整体系统成本。通过更改电阻器来调整所需的分压比，可以轻松扩展输出。

TI 提供具有基本或增强型隔离的隔离放大器解决方案，可与电阻分压器一起用于电压测量;我在表 2 中列出了其中的一些以及它们的关键参数。

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 以及高精度 ±0.5% 电流和隔离电压测量参考设计的参考设计展示 了使用电阻分压器和隔离放大器(而不是传统的电压互感器)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块：

分压器

板载电阻分压器将5V-300V AC的输入电压调整为 175mV AC。分压器的 mV AC输出连接到隔离放大器，以在 AC 输入和测量 AFE 之间提供所需的隔离，并额外提供放大功能。

具有基本隔离和隔离电源的隔离放大器

AMC1200 基本隔离型放大器具有±250mV 输入和X8 增益的差分输出，用于测量交流输入。共模输出可扩展至 1.3V 或 2.55V。

具有增强隔离和隔离电源的隔离放大器

AMC1301 增强型隔离型放大器具有 ±250mV 输入和差分输出，增益为 X8.2，可测量交流输入。共模输出可扩展至 1.4V。隔离放大器高端工作在 5V。使用变压器驱动器和低压差 (LDO) 稳压器产生所需的隔离电源。

ADC 接口

隔离放大器输出接口连接到ADS131A04 delta-sigma ADC 的差分输入。ADS131A04 是一款 24 位 Δ-Σ ADC，具有 0-5V (AMC1200) 和 ±2.5V (AMC1301) 的可配置输入范围。

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。参考设计已经过 5-300V 交流电压范围内的电压精度性能测试。五周期测量(400 个样本，每个周期 4,000 个样本，50Hz)实现了准确度。

从5-300V AC 输入观察到比率误差在 ±0.2% 以内。对于宽动态输入范围，相位误差小于 6µs 并且相同。

审核编辑：汤梓红