一种零磁通互感器换挡保护电路及电能标准表的制作方法

本发明涉及一种保护电路，具体涉及一种零磁通互感器换挡保护电路及电能标准表。

背景技术：

1、电流互感器是电力系统中的重要测量设备，是监测电网运行状态与参数以及实现继电保护所不可缺少的计量控制器具。此外，在工农业生产、科学技术领域与国防建设等事业中，也经常需要采用电流互感器进行参数变换，以实现对各种不同大小的电流、功率以及电能量的测试或控制。随着电力事业的发展，对于极大与极小电流的测量显得越来越重要。由于电能计量技术的迅速发展，推动了弱电流测量技术的发展，从而涌现了额定初级电流为弱电流的互感器，而且其测量精度已普遍地提高到0.01级水平。而从发展趋势看，为了尽可能提高电能测量系统的总精度，还有进一步提高电流互感器测量精度的必要。

2、电流互感器的误差主要由电流互感器的励磁电流损耗造成的。设原边电流为i1，原边匝数为n1。副边电流为i2，副边匝数为n2，励磁电流为ip。理想电流互感器的电流转换关系式：

3、i1n1＝i2n2

4、由于磁芯中存在励磁电流ip，电流转换关系式应转变为：

5、i1n1＝(ip+i2)n2

6、为提高i2的精度，应使ip尽可能的小，使ip→0。

7、图1的电路是一种自适应的零磁通电流互感器补偿电路。在磁芯上增加一个补偿绕组n3。使得磁芯上一共有三个绕组，分别是原边绕组n1，采样绕组n2，补偿绕组n3。并增加了自适应的补偿驱动电路驱动采样绕组n2。

8、当在原边绕组在n1通过交流电流时，绕组n3上产生励磁电流ip和补偿电流i3，ip与i3的和i′3＝ip+i3。绕组n3的电感量为l3，i′3在绕组n3上产生的感应电压为ε3，则有：

9、

10、运算放大器u2，电阻r16和r15组成反向放大器，对绕组n3上产生的感应电压ε3放大，放大后的电压为ε2。

11、由电阻r16和r15的比值可得放大系数k2，则：

12、

13、那么放大后的电压ε2有：

14、ε2＝k2×ε3

15、其中二极管d3和d4起到保护运算放大器u2输入端的作用，把u2输入端的电压钳位在0.7v。

16、c1起到防止运算放大器放大电路高频自激的作用。

17、三极管q3和q4起到扩大运算放大器u2电流输出能力的功率放大作用。三极管的电流放大系数为β，运算放大器u2的输出电流为i，则经过三极管q3和q4后，输出的电流为βi。

18、电阻r9，r10，r11起到为三极管q3和q4提供直流偏置的作用，使三极管q3和q4处于导通状态，避免交流信号的交越失真。

19、电阻r7，r8起到对三极管q3和q4限流的作用，防止三极管q3和q4过流损坏。

20、在运算放大器u2经过功率放大，保证电流输出能力的条件下，ε2作用在采样绕组n2上，产生电流i2，绕组n2的电感量为l2，则i2有：

21、

22、在磁芯上原边绕组和副边绕组的磁通量相等，则有关系式：

23、i′3n3+i2n2＝i1n1

24、将以上分部关系式代入，则有：

25、

26、化简后有：

27、(ip+i3)×n3(1+k2)＝i1n1

28、则：

29、

30、通常在磁芯的绕组上，原边绕组取n1＝1～10匝，补偿绕组n3＝2000匝，从(a)式的分母项上可看出k′＝n3(1+k2)＞106，分母项k′数值非常大，对原边磁通量i1n1的损耗小于百万分之一，所以ip-＞0，i3-＞0，所以图1的补偿电路可以使采样电流i2达到很高的精度。

31、考虑到漏磁的影响，图1的电路在实际应用中精度可以达到0.002％，精度远高于不加补偿电路的电流互感器。

32、因图1的电路使得励磁电流ip-＞0，所以图1的电路称为自适应的零磁通电流互感器补偿电路。

33、运算放大器u1起到给互感器的采样绕组n2提供虚地的作用。采样绕组n2的电流i2经过运算放大器u1的虚地端流过采样电阻r13。采样电阻r13是精密稳定的电阻，采样电流i2在r13上转换成采样电压。经过运算放大器u3跟随器，产生电压uadc提供给模数转换器adc采样计算。

34、其中二极管d1和d2起到保护运算放大器u1输入端的作用，把u1输入端的电压钳位在0.7v。

35、给运算放大器u1提供电流输出能力的三极管q1和q2，直流偏置电阻r3，r4，r5，r6，限流电阻r1，r2，原理和运算放大器u2的功率放大部分一致。

36、但是原有的自适应的零磁通电流互感器补偿电路技术方案在电能标准表上应用时，标准表需要换挡，即原边绕组n1需要在不同的电流档位下切换。

37、在切挡过程中，会使大电流灌入多绕组的小电流绕组，使得磁芯产生很高的磁通，瞬间的高磁通量会在n2上产生很高的瞬间电压ε2′，ε2′可以击穿运算放大器u1和u2，从而把电路损坏。产生的高压经过示波器捕捉的波形如图2所示。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种零磁通互感器换挡保护电路及电能标准表，通过加入瞬态双向保护tvs管和高分子ptc热敏电阻，有效地抑制了互感器在换挡过程中产生的高压，避免了高压对运算放大器和三极管的击穿损坏，有效解决现有技术中的不足。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的：一种零磁通互感器换挡保护电路，包括：

3、磁芯，所述磁芯上设置有三个绕组，分别为原边绕组、采样绕组和补偿绕组，所述补偿绕组用于减少励磁电流损耗；

4、自适应补偿驱动电路，所述自适应补偿驱动电路包括运算放大器、多个电阻和二极管，所述自适应补偿驱动电路用于驱动所述采样绕组并提高测量精度；

5、功率放大器，所述功率放大器包括三极管，所述三极管与运算放大器配合使用以扩大电流输出能力；

6、瞬态双向保护tvs管和高分子ptc热敏电阻，所述tvs管和热敏电阻串接在采样绕组的输出端，用于在换挡过程中抑制高压，保护电路组件。

7、作为优选的技术方案，所述瞬态双向保护tvs管的钳位电压为12v，所述磁芯采用1j85的高磁导率坡模合金磁芯。

8、作为优选的技术方案，所述高分子ptc热敏电阻的内阻在30ω至60ω之间，用于过流保护，防止瞬间高峰电流损坏电阻。

9、作为优选的技术方案，所述运算放大器通过反向放大器连接采样绕组，所述反向放大器由运算放大器、电阻和二极管构成，并通过电阻和电阻构成的电压分压网络确定放大系数。

10、作为优选的技术方案，还包括防止运算放大器高频自激的电阻。

11、作为优选的技术方案，还包括直流偏置电阻，用于使三极管处于导通状态，避免交流信号的交越失真。

12、作为优选的技术方案，所述采样绕组的电流经过运算放大器的虚地端流过采样电阻，所述采样电阻为精密稳定电阻，将采样电流转换成采样电压，经过运算放大器跟随器产生电压提供给模数转换器adc进行采样计算。

13、作为优选的技术方案，所述热敏电阻串接在互感器的输出回路上，增加互感器的内阻，所述内阻与型号为ll4148的二极管和中的结电容组成rc电路，互感器换挡时产生的高压经过rc电路延迟高峰电流的传输时间，使二极管起到保护运算放大器的作用，二极管将输入电压钳位在0.7v。

14、作为优选的技术方案，所述运算放大器提供虚地作用，使得采样绕组的电流经过虚地端流过采样电阻转换成电压信号，采样电阻为精密稳定电阻，转换后的电压信号经运算放大器跟随器输出供模数转换器采样。

15、本发明的一种电能标准表，所述电能标准表包括零磁通互感器换挡保护电路，用于在不同电流档位下切换时保护电路中的运算放大器不被高压击穿损坏。

16、本发明的有益效果是：本发明通过在原有技术方案基础上进行改进，加入瞬态双向保护tvs管和高分子ptc热敏电阻，有效地抑制了互感器在换挡过程中产生的高压，避免了高压对运算放大器和三极管的击穿损坏。该保护电路能够将高压抑制在12v以内，并利用热敏电阻的过流保护特性，吸收瞬间高峰电流，防止电阻烧坏。同时，热敏电阻串接在互感器的输出回路中，增加了互感器的内阻，结合rc电路的滤波作用，延迟高峰电流的传输时间，使得二极管能够有效地钳位输入电压，保护运算放大器输入端免受高压损坏。经过实际电路验证，本发明的保护电路显著提高了产品的可靠性和使用寿命。