保護(hù)繼電器用于保護(hù)高壓或中壓或低壓電力系統(tǒng)、感測電路中的異常狀況及命令斷路器的操作。來自被保護(hù)設(shè)備的電壓和電流輸入連接到保護(hù)繼電器。

保護(hù)電源系統(tǒng)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(tǒng)故障。電流互感器（CT）和電勢(shì)互感器（PT，也稱為電壓互感器）是用于開關(guān)設(shè)備應(yīng)用中電流和電壓測量的最通用的傳感器。當(dāng)保護(hù)繼電器連接在電力應(yīng)用中時(shí)，連同電壓和電流的測量，隔離高壓側(cè)的保護(hù)繼電器是系統(tǒng)和操作者的安全的重要要求。CT或PT將保護(hù)、控制和測量設(shè)備與電源系統(tǒng)的高電壓隔離，并為設(shè)備提供適當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷褐档絻?nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

電壓測量

圖1提供了一種用于測量保護(hù)繼電器應(yīng)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(jí)電壓和電流。次級(jí)電流或電壓被放大并連接到ADC，用于采樣模擬輸入。ADC連接到信號(hào)處理系統(tǒng)，以處理執(zhí)行保護(hù)功能所需的故障參數(shù)。?

圖1：保護(hù)繼電器的數(shù)據(jù)采集AFE

PT是用于測量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(shù)比的降壓變壓器，且對(duì)被測量的電源呈現(xiàn)可忽略的負(fù)載。變壓器具有大量的初級(jí)匝數(shù)和數(shù)量較少的次級(jí)匝數(shù)。每伏的匝數(shù)隨測量精度要求而變化，導(dǎo)致PT的尺寸增大。

對(duì)于功率和能量測量，電壓和電流之間的相移還影響精度，因?yàn)楣β实扔陔妷撼艘噪娏鳎俪艘噪妷汉碗娏髦g的相位角的余弦。用于保護(hù)繼電器應(yīng)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(gè)動(dòng)態(tài)范圍上具有線性相移，以將非線性降到最小。寬范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，且由于相位誤差要求，選擇CT或PT是一個(gè)挑戰(zhàn)。

電位變壓器的精度要求

表1提供了用于測量和保護(hù)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(duì)于測量，使用0.5或02等級(jí)；對(duì)于保護(hù)，使用3P等級(jí)。精度要求由IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于測試電壓互感器的性能。在保護(hù)繼電器中，用于測量交流輸入電壓的不同電壓互感器具有以下精度規(guī)格：

表1：電壓互感器精度等級(jí)（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(jí)電壓成比例的次級(jí)電壓和精確的同相相對(duì)。但實(shí)際上，由于一些初級(jí)和次級(jí)電壓降，您不能在次級(jí)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(dāng)PT的設(shè)計(jì)具有更高精度時(shí)，它們由在較低磁通密度下操作的特殊高質(zhì)量磁芯制成，以具有小的磁化電流，因此可將無負(fù)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(shè)計(jì)變壓器或在變壓器上提供多個(gè)分接頭。變壓器的尺寸也隨輸出縮放而變化。

用于測量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(guī)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(jìn)行線電壓/相電壓測量。實(shí)際應(yīng)用中，由于功耗、連續(xù)工作電壓和浪涌耐壓要求，我建議由幾個(gè)串聯(lián)連接的電阻設(shè)計(jì)這個(gè)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(shí)<1mA），并選擇比率，使輸入在最大輸入電壓下降至ADC測量范圍。

電阻分壓器沒有相移，在整個(gè)范圍內(nèi)提供線性輸出，您可通過仔細(xì)選擇電阻分壓器來最小化比率誤差。頻率響應(yīng)> 100kHz時(shí)，總體尺寸小。電阻器的衰減輸出并不提供可通過使用隔離放大器實(shí)現(xiàn)的隔離。隔離放大器的輸出連接到ADC用于測量。與寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)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(shè)計(jì)并降低了整體系統(tǒng)成本。通過更改電阻可輕松擴(kuò)展輸出，以調(diào)整所需的分頻比。

TI提供具有基本或增強(qiáng)隔離的隔離放大器解決方案，其可與電阻分壓器一起使用，用于電壓測量；我在表2列出其中幾個(gè)解決方案，及其關(guān)鍵參數(shù)。

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(tài)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

輸入電壓范圍

±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(guān)鍵參數(shù)

測量保護(hù)繼電器中的交流電壓和電流的參考設(shè)計(jì)，及高精度±0.5％電流和隔離電壓測量的參考設(shè)計(jì)展示了使用電阻分壓器和隔離放大器（而不是常規(guī)電壓互感器）測量交流電壓輸入的解決方案。這些參考設(shè)計(jì)具有以下功能模塊：

電位分壓器。機(jī)載電阻分壓器將5V-300VAC的輸入電壓調(diào)節(jié)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，并且還提供放大。

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(kuò)展到1.3V或2.55V。

具有增強(qiáng)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(qiáng)型隔離型放大器，可測量交流輸入。共模輸出可擴(kuò)展到1.4V。隔離放大器高端在5V條件下操作。使用變壓器驅(qū)動(dòng)器和低壓差（LDO）穩(wěn)壓器產(chǎn)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，可配置的輸入范圍為0-5V（AMC1200）和±2.5V（AMC1301）。

參考設(shè)計(jì)中基于隔離放大器AMC1200或AMC1301的電壓測量AFE滿足測量和保護(hù)要求的精度要求。參考設(shè)計(jì)已在寬范圍5-300V交流電壓下進(jìn)行電壓精度性能測試。對(duì)于五周期測量（400個(gè)樣品，對(duì)于50Hz，每周期4,000個(gè)樣品）可實(shí)現(xiàn)精度要求。

5-300V AC輸入條件下，觀察到的比率誤差在±0.2％內(nèi)。相位誤差小于6μs，而對(duì)于寬動(dòng)態(tài)輸入范圍，相位誤差相同。