一种带有自校准功能的小信号隔离放大器 |
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| 申请号 | CN201710098855.6 | 申请日 | 2017-02-23 | 公开(公告)号 | CN106817095A | 公开(公告)日 | 2017-06-09 |
| 申请人 | 南京海兴电网技术有限公司; 杭州海兴电力科技股份有限公司; 宁波恒力达科技有限公司; | 发明人 | 乔建光; 任彬; 张长祥; 荆树峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种带有自校准功能的小 信号 隔离 放大器 ，包括：信号取样及防护回路、信号调理及校准回路和隔离放大回路以及隔离电源，信号取样及防护回路通过电容分 压实 现对 电子 式 电压 互感器输入的小电压信号进行采集，信号调理及校准回路对采集到的信号进行电压放大，隔离放大回路对经过电压放大的信号进行 电流 放大和变压，为后级 电路 提供符合功率要求的 输入信号 ，本发明中带有自校准功能的小信号隔离放大器解决了自动重合器采用电子式互感器输入时由于高压干扰带来的影响，提高了重合设备的 稳定性 、可靠性和兼容性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有自校准功能的小信号隔离放大器，在自动重合器接入电子式互感器的信号时使用，其特征在于，该放大器包括：信号取样及防护回路、信号调理及校准回路和隔离放大回路以及隔离电源；信号取样及防护回路采集电子式互感器输入的小电压模拟信号；信号调理及自校准回路将采集到的小电压模拟信号进行放大使其电压达到额定幅值；隔离放大回路将调整完电压幅值的信号进行电流放大和功率匹配；隔离电源为信号调理及校准回路和隔离放大回路供电。 |
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| 说明书全文 | 一种带有自校准功能的小信号隔离放大器技术领域背景技术[0002] 自动重合器安装于户外支柱式开关侧，主要用于监测线路运行告警信息和判断故障状态，处理短时或永久故障，并远程上传给自动化主站系统。当线路发生故障时，工作人员可借助上传信息的报警指示，迅速确定故障区段，并找出故障点；报警信息可实时发送到监控中心的服务器，在监控主站的屏幕上显示出故障所在的区域和具体位置，引导巡线人员迅速确定故障区段并找出故障点；自动重合器还能完成主站系统通过远程方式下发的指令，支持本地维护和配置故障。 [0003] 然而，现有的自动重合器在应用中存在如下问题：1)自动重合器在使用电子式互感器时，由于无法对小电压信号进行有效电磁隔离，容易引入干扰，开关操作产生的高压干扰容易影响设备的稳定运行；2)输入自动重合器保护单元的交流信号无法实现传统电压信号和小电压信号的便捷切换。 发明内容[0004] 发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种带有自校准功能的小信号隔离放大器，应用于自动重合器，作为自动重合器电压输入信号的前置回路，有效地电磁隔离实现对干扰的有效滤除，提高了重合设备的稳定性和可靠性。 [0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明中带有自校准功能的小信号隔离放大器，在自动重合器接入电子式互感器的信号时使用，该放大器包括：信号取样及防护回路、信号调理及校准回路和隔离放大回路以及隔离电源；信号取样及防护回路用于采集电子式互感器输入的小电压模拟信号；信号调理及自校准回路用于将采集到的小电压模拟信号进行放大使其电压达到额定幅值；隔离放大回路用于将调整完电压幅值的信号进行电流放大和功率匹配；隔离电源为信号调理及校准回路和隔离放大回路供电。 [0006] 其中，所述信号取样及防护回路包括低压臂电容C2，瞬变电压抑制二极管TVS1以及两个高阻抗电阻R1和电阻R2；低压臂电容C2的第一端连接电子式电压互感器的输出端，低压臂电容C2的第二端接地；瞬变电压抑制二极管TVS1的一端与低压臂电容C2的第一端连接，另一端接地，瞬变电压抑制二极管TVS1与电阻R2、电阻R1所形成的串联电路并联。 [0007] 其中，所述信号调理及校准回路包括运算放大器，该运放放大器的负相输入端连接电阻R3的第二端，电阻R3的第一端连接低压臂电容C2的第一端；运放的正相输入端通过电阻R4接地，输出端通过可调电阻R5连接负相输入端。 [0008] 其中，所述隔离放大回路包括跟随电路和变压器，跟随电路的输入端连接信号调理及校准回路的输出端，跟随电路的输出端连接变压器的输入端，变压器的输入端并接电阻R6。 [0009] 有益效果：本发明中带有自校准功能的小信号隔离放大器，作为自动重合器电压输入信号的前置回路，用于调理信号，隔离干扰，优化后端保护模块的设计，便于设备的维护和更换。该小信号隔离放大器首先利用信号取样及防护回路通过电容分压实现对电子式电压互感器输入的小电压信号进行采集，然后利用信号调理及校准回路对采集到的信号进行电压放大，再利用隔离放大回路通过变压器实现电磁隔离，对经过电压放大的信号进行电流放大和变压，为后级电路提供符合功率要求的输入信号，本发明中采用带有自校准功能的小信号隔离放大器提高了自动重合器输入信号的兼容性和可维护性。附图说明 [0010] 图1是本发明改进后的自动重合器的模块结构图； [0011] 图2是本发明中带有自校准功能的小信号隔离放大器的模块结构图； [0012] 图3是信号取样及防护回路的电路图； [0013] 图4是信号调理及校准回路的电路图； [0014] 图5是隔离放大回路的电路图； [0015] 图6是本发明中带有自校准功能的小信号隔离放大器的波形放大示意图。 具体实施方式[0016] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施列对本发明不构成限定。 [0017] 如图1所示，自动重合器包括电源模块、控制单元、保护单元和储能元件，电源模块将220V交流电进行电压转换为控制单元和保护单元进行供电；保护单元对接入的电信号进行判断，监测线路运行告警信息和判断故障状态；控制单元对故障进行处理，储能元件配合控制单元实现相应的控制。自动重合器可以接入传统CT(电流互感器)、传统PT(电压互感器)、以及电子式PT(电压互感器)的输入信号，电子式PT(电压互感器)输入的信号属于小电压信号，本发明对现有的自动重合器进行了改进，自动重合器在接入电子式PT时，在电子式PT和保护单元之间增加了小信号隔离放大器。 [0018] 将小信号隔离放大器作为保护单元的前置模块，主要用于调理电子式电压互感器的输入信号，隔离干扰，优化后端保护单元的设计，便于设备的维护和更换。在使用传统式互感器输入时，自动重合器保护单元直接接入传统CT和传统PT的信号，在使用电子式互感器时，配一个带有自校准功能的小信号隔离放大器，使得自动重合器保护单元可直接接入传统CT和电子式PT的信号，无需更改任何设计。拓展了自动重合器设备的使用场合，并提升了自动重合器在接入电子式互感器场合时的电磁兼容性能。 [0019] 如图2所示，在自动重合器接入电子式互感器时，上述带有自校准功能的小信号隔离放大器包括：信号取样及防护回路、信号调理及校准回路和隔离放大回路以及隔离电源；信号取样及防护回路的输入端连接电子式互感器的输出端，输出端连接信号调理及校准回路的输入端，信号调理及校准回路的输出端连接隔离放大回路的输入端，隔离放大回路的输出端连接自动重合器保护单元的输入端。信号取样及防护回路采集电子式电压互感器输入的小电压模拟信号，信号调理及自校准回路将采集到的小电压模拟信号进行放大使其电压达到额定幅值；隔离放大回路将调整完电压幅值的信号进行电流放大和变压，实现功率匹配，以满足后级保护单元对输入信号的范围和功率要求；隔离电源为信号调理及校准回路和隔离放大回路供电。 [0020] 自动重合器中的保护单元对输入的信号有输入范围和输入功率的限制，输入范围是指保护单元支持多大的电压或电流的输入，超出一定范围的信号可能会超出电气参数的设计指标，导致损坏或无法识别。输入功率指的是信号输入端的电气参数对信号的驱动能力有一定要求，如果驱动能力太弱，会导致信号无法有效通过隔离变压器地传变。 [0021] 如图3所示，信号取样及防护回路包括低压臂电容C2，瞬变电压抑制二极管TVS1以及两个高阻抗电阻R1和电阻R2；图3中的高压臂电容C1为电子式电压互感器的一部分，其第一端接高压信号HV，第二端作为电子式电压互感器的输出端，低压臂电容C2的第一端连接高压臂电容C1的第二端，低压臂电容C2的第二端接地，对电子式电压互感器输入的信号进行电容分压，采集到小电压信号UA_IN1；瞬变电压抑制二极管TVS1的第一端与低压臂电容C2的第一端连接，第二端接地，瞬变电压抑制二极管TVS1的第一端与电阻R2的第一端连接，电阻R2的第二端与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端与TVS1的第二端连接，即瞬变电压抑制二极管TVS1与电阻R1和电阻R2所形成的串联电路并联，实现对小电压信号UA_IN1的防护。 [0022] 其中，高压臂电容C1的电容为25pF，低压臂电容C2的电容为100nF，采样电压信号UA_IN1的额定幅值为2V，变化范围为0～4V；TVS管用于钳压保护相关的元器件，以免出现器件损坏；电阻R1和电阻R2采用高阻抗电阻，阻值为2M欧姆，高阻抗的电阻用于均衡取样阻抗，稳定采样信号。 [0023] 如图4所示，信号调理及校准回路采用高输入阻抗的运放搭建而成，可以采用低偏置电压运算放大器OPA297A，该运放的负相输入端连接电阻R3的第二端，电阻R3的第一端连接低压臂电容C2的第一端；运放的正相输入端通过电阻R4接地，输出端通过可调电阻R5连接负相输入端。 [0024] 隔离电源，可以采用DCDC隔离模块，隔离24V产生±18V的电压，运放采用隔离电源供电，满足较宽范围的信号输入，并通过反相放大，滤除掺杂的共模干扰，参照电力一次额定参数，可以将取样的小电压信号调整到额定值对应的信号幅值。通过改变电路中参与放大系数计算的电路元件的参数(相关元件均采用高精度的可调电阻实现)，可以便捷地调整放大电路的比例系数，实现自动校准，从而调整放大电路的输出信号幅值，得到电压放大的信号UA1。 [0025] 如图5所示，隔离放大回路包括：带有大电流输出的跟随电路和4:115V的变压器(支持8V输入/230V输出)，跟随电路的输入端连接信号调理及校准回路的输出端，跟随电路的输出端连接变压器的输入端，变压器的输入端并接电阻R6。跟随电路采用运放TLE2062A，但不限于此型号，放大模块输出电流不小于1.5mA，输入电流不小于45mA，功率消耗小于8mW，运算放大器TLE2062A的正相输入端连接运算放大器OPA297A的输出端，运算放大器TLE2062A的输出端连接负相输入端。通过变压器实现电磁隔离，前级和后级没有直接的电气联系，即输入信号UA1和输出信号VA1主要通过磁场实现信号的传递，之间没有直接电气联系。 [0026] 如图6所示，实线为输入的小电压信号，虚线为输出的放大电压信号，从图中可以看出输入电压UA_IN1的有效值为2V，输出电压VA1的有效值为57.5V，变比为1:28.75，满足系统设计需求。 [0027] 将该带有自校准功能的小信号隔离放大器应用在自动重合器中，避免了自动重合器采用电子式互感器输入时由于无法对信号进行有效隔离而带来的干扰，提高设备的稳定性和可靠性；同时，该带有自校准功能的小信号隔离放大器可以接入小电压信号，便于实现传统电压信号和小电压信号的切换，进一步扩展自动重合器的输入信号范围，可以将自动重合器应用到更多的场合，提高兼容性。 |
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