專利名稱:消除電容式交流分壓器中直流電壓分量的方法、電路及裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種消除電容式交流分壓器中直流電壓分量的方法，特別是對中高壓的分壓器，以及實(shí)現(xiàn)這種方法的電路與用這種電路構(gòu)成的裝置。
這種方法以及這種結(jié)構(gòu)都已經(jīng)在DE-OS 26 34 595中分別進(jìn)行了闡述。在這個(gè)先有技術(shù)中，由一個(gè)開關(guān)和一個(gè)低歐姆電阻組成的串聯(lián)電路作為開關(guān)器件與一個(gè)接地的電容式分壓器的電容器相并聯(lián)，與其并聯(lián)的還有一個(gè)控制器件。在交流電壓重新接上后，在第一次過零后大約經(jīng)過一毫秒的延時(shí)后，控制器件便將開關(guān)打開。因此在正常工作條件下，在重新接到電源上后不大于半個(gè)周波，就達(dá)到正常工作條件，而在這段時(shí)間內(nèi)輸入是短路的。
然而，目前對高電壓的測量多半要用電感式電壓測量互感器。電壓越高，這些設(shè)備也就越貴。
因此，過去力圖用電容式高電壓分壓器和跟隨測量放大器來測量高壓。
于是在電容分壓器中的直流電壓項(xiàng)就成了問題。當(dāng)某一瞬間在高電壓分壓器上的電壓不為零時(shí)將分壓器脫開的話，就產(chǎn)生直流電壓。于是在放大器的輸入端就保持著一個(gè)直流電壓，即便是這個(gè)直流電壓被放大器的輸入電阻有所削弱的話，在上端電壓電容器上所貯存的電荷，在重新接入高壓時(shí)也要作為直流電壓分量出現(xiàn)，這個(gè)直流電壓分量就加在交流電壓上。這就使輸出電壓的過零點(diǎn)移動(dòng)，這對于保護(hù)裝置來說這是很重要的，同時(shí)還使電位浮動(dòng)互感器的輸出飽和。
為了改進(jìn)上述結(jié)構(gòu)，在DE-OS 28 46 285中提出了一種電路，在這種電路中如果確定了存在直流電壓分量，就接入放電阻抗，在經(jīng)過幾個(gè)周波后再將它斷開，如上所述，這種方法只在很短的一段時(shí)間內(nèi)有不良的影響。
在那篇資料中提出了加上第二個(gè)高電壓分壓器，它將信號送給對直流電壓封鎖的第二個(gè)放大器的輸入端，分壓器包含幾個(gè)測量電容器或控制電容器，以對不同的輸入電壓作不同的處理，并作出邏輯決定，將測量直流電壓的輸入端處某個(gè)可變阻抗元件交替地接上與斷開幾個(gè)半周波的時(shí)間，直到直流電壓消失。
最簡單情況可變阻抗元件是一個(gè)電阻和一個(gè)與其串聯(lián)的開關(guān)。然而也可以是一個(gè)其電阻可調(diào)的半導(dǎo)體器件或一個(gè)開關(guān)寄存器，后者所帶電阻與接數(shù)模轉(zhuǎn)換器時(shí)相同或不同。
此外還有帶純電子濾波器的放大器，它將直流電壓分量從測量信號中濾去。然而它對目前在幅值和在相位精度方面的要求，對頻率響應(yīng)和暫態(tài)特性方面的要求，很難得到一個(gè)可使人接受的折衷的結(jié)果。還有，對這種方案的運(yùn)行可靠性也難以控制，通常會(huì)產(chǎn)生所謂的前后偏差，因?yàn)橛捎诖嬖谧儞Q時(shí)間而使輸出電壓不等于輸入電壓。
現(xiàn)在的快速保護(hù)裝置已經(jīng)要求在幾毫秒后就得到放大器的輸出電壓，該電壓應(yīng)準(zhǔn)確反映高電壓，而且沒有導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤或誤切斷的位移。
在根據(jù)DE-OS28 46 285和DE-OS 26 34 595的先有技術(shù)中對此任務(wù)提出了解決的辦法。與DE-OS 28 46 285相反，DE-OS26 34 595的基本原理是直流電壓分量不是分幾步逐漸消除的，而是在經(jīng)過短時(shí)間后，在盡可能早的時(shí)刻瞬時(shí)地從簡單的高電壓分壓器中全部消除。
先有技術(shù)在中高壓范圍內(nèi)的短路措施，總要使被測交流電壓失真。
相反，本發(fā)明盡快地消除了交流測量電壓中的直流電壓分量，而且在最大可能的范圍內(nèi)在重新產(chǎn)生中高壓被測電壓時(shí)沒有失真，從而解決了這些根本的問題，避免使用了那些昂貴的大部件，例如電感式電壓變換器、短路開關(guān)或類似的部件。
按照本發(fā)明，這些基本問題是這樣解決的交流測量電壓通過一個(gè)電容與兩條平行線路被送到一個(gè)測量放大器，交流測量電壓是通過這兩條線路中的一條被直接送至該放大器的，而交流測量電壓的直流電壓分量則是在這兩條線路的另一條中被確定的，確定的方法是這樣的將交流測量電壓分成許多小時(shí)間段，每個(gè)周波或是每半個(gè)周波中的時(shí)間段數(shù)量相等，對交流測量電壓連續(xù)地按照時(shí)間段的頻率進(jìn)行一個(gè)周波的積分，以此決定的相應(yīng)的直流電壓值與原值反相地被送至測量放大器，并通過后者將信號傳至測量互感器。
由于在放大器的一條平行支路中將交流測量電壓數(shù)字化，并對所得的直流分量按交流測量電壓的一個(gè)周波進(jìn)行積分，并將它反相后送到測量放大器，就可完全避免任何對交流測量電壓的影響，同時(shí)直流電壓分量在很短的時(shí)間內(nèi)完全得到了補(bǔ)償。由于對一個(gè)周波進(jìn)行積分，也就消除了較高頻的干擾電壓或噪音電壓，所以實(shí)際上得到的只是純直流電壓分量，因而可以作到精確補(bǔ)償。
如果將交流測量電壓在一條平行支路中進(jìn)行數(shù)字化并從半個(gè)周波的幾個(gè)時(shí)間段中求得平均值，然后將它與半個(gè)周波以前的平均值比較，再將所得的電壓差反相送到測量放大器的話，也可得到相同的結(jié)果。以此方法就可早一些進(jìn)行補(bǔ)償。
從下面結(jié)合附圖的說明中，可以更明顯地看出本發(fā)明的所有的目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。只是為說明起見，所以附圖只顯示了本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，其中圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理電路圖;
圖2是數(shù)字化測量電壓曲線;
圖3說明沒有直流電壓分量時(shí)過零接上的工作情況;
圖4說明沒有直流電壓分量時(shí)峰值時(shí)接上的工作情況;
圖5說明在沒有直流電壓分量時(shí)過零接上的工作情況;
圖6比較了半波時(shí)間段的情況。
現(xiàn)在參看附圖，特別是圖1，電容分壓器4由上端電壓電容器2和下端電壓電容器3組成，它與交流電網(wǎng)1相聯(lián)。隔離電容6的電極7與電容分壓器4的5端相連。最好在隔離電容6與連接端5之間接上一個(gè)分壓器8，尤其是由電阻9和10組成的。分壓器8用來降低交流測量電壓UM值，使它不至于損害后接元件，例如半導(dǎo)體集成電電路(IC′S)，譬如說降到5伏，可能還會(huì)接一個(gè)放大器11，以特地增加交流測量電壓UM對噪音或干擾信號的比值。
隔離電容器16的另一電極12通過一條線路L1，例如是一個(gè)電阻13，直接與測量放大器14相聯(lián);測量互感器16的初級繞組15與測量放大器14的輸出端相連。按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器19、數(shù)字積分器18和數(shù)模轉(zhuǎn)換器19以及可能還有電阻20組成的串聯(lián)電路接到與電阻13并聯(lián)的線路L2中。微處理21利用內(nèi)部時(shí)鐘22控制元件17，18，19;同時(shí)也用來控制數(shù)字積分器18的時(shí)間以及可能還要控制測量值相對于交流測量電壓UM的延遲時(shí)間。最好用一個(gè)已經(jīng)包含一些元件在內(nèi)的微處理器，例如已包含RAM(隨機(jī)存貯器)和/或ROM(只讀存貯器)，這樣的話就可實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。對微處理器作相應(yīng)編程，便可做到這一點(diǎn)。利用集成時(shí)鐘發(fā)生器就可進(jìn)行控制。
本電路的原理，以及對交流測量電壓UM中所含的直流電壓分量UG的直流電壓補(bǔ)償過程如下加在隔離電容器6的電極12處的交流測量電壓UM通過電阻13直接輸給測量放大器14。同時(shí)，交流測量電壓UM輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器17。后者受時(shí)鐘發(fā)生器22控制，按時(shí)鐘頻率將交流電網(wǎng)頻率的周波時(shí)間T分成許多段t，在每個(gè)時(shí)間段t中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值，特點(diǎn)是數(shù)字形式的值，例如是一個(gè)4位、8位或16位的取樣值。這個(gè)值被送到積分器18。
積分器也受同一個(gè)時(shí)鐘頻率Tf控制，它總是以時(shí)鐘脈沖頻率對一個(gè)周波T進(jìn)行積分，并產(chǎn)生相應(yīng)的積分值。圖2中對這個(gè)情況闡明得更全面?？梢钥吹?，周波時(shí)間T分成了許多時(shí)間段t。積分器18總是對整個(gè)周波時(shí)間進(jìn)行積分，也就是說，例如從時(shí)刻t0到t0′。因此沒有直流電壓分量時(shí)，在t0′時(shí)刻積分值等于零。相似地，例如在t2′時(shí)刻其值也為零，因?yàn)閺膖0到t2的積分值(細(xì)格陰影線面積)在Tt2周波時(shí)間內(nèi)已被消去了，而加上了t0′到t1′的積分值(寬格陰影線面積)。以此辦法，可以立即求出在某個(gè)時(shí)間段t中出現(xiàn)的直流電壓分量。最終以數(shù)字形式表示的直流電壓UGD加到D/A(數(shù)模)轉(zhuǎn)換器19，它在其輸出端產(chǎn)生模擬直流電壓UG。后者或者直接在D/A轉(zhuǎn)換器19的內(nèi)部被反相，或者在一個(gè)接在轉(zhuǎn)換器輸出端處的反相器中被反相，然后被送到測量放大器14，它與此時(shí)交流測量電壓UM中的直流電壓分量反相，于是得到了純交流測量值。
可能交流測量電壓UM或直流電壓分量UG，以及-UG經(jīng)過一個(gè)延遲器件，延遲后例如利用微處理器21中的相應(yīng)的程序，在測量放大器14的輸入端上某段時(shí)間t的直流電壓分量與在測量放大器14的輸入端上同一時(shí)間段t的交流測量電壓UM相遇，即二者同相。延遲時(shí)間也可選擇得使二者相互錯(cuò)開幾個(gè)周波T，向時(shí)間段t之間是相互吻合的。
例如，電網(wǎng)頻率為50H2(赫芝)，一個(gè)周波的持續(xù)時(shí)間為20ms(毫秒)，即T＝20ms。后者即構(gòu)成積分區(qū)間。對于輸入量X(t)和輸出值y(t)之間，可用下列方程y(t)＝∫tt-20msx(t)dt進(jìn)而假設(shè)將一個(gè)周波T分為256段時(shí)間段t。則按照下列遞歸差分方程就可得到數(shù)值積分y(n)＝y(tǒng)(n-1)+x(n)-x(n-256)
即，現(xiàn)時(shí)的積分值是在前一個(gè)周波T中所得的積分值上加以Tn時(shí)刻所測得的瞬時(shí)值，再減去(n-256)時(shí)刻所測得的值，即20ms以前的值，而求得的。從而可知，在電網(wǎng)電壓加上一周以后，即T＝20ms(50Hz)，就可求出準(zhǔn)確的直流電壓分量，便可作補(bǔ)償用。
假如如圖3所示，接入時(shí)刻電壓增長著過零點(diǎn)，在交流測量電壓UM中并沒有直流電壓分量，可以對第一個(gè)周波進(jìn)行積分，從而得到一條積分曲線，它表示在第一周波中直流電壓分量UG的仿真值。然而，這個(gè)直流電壓分量，只出現(xiàn)在第一個(gè)周波中，而且在最不理想的情況下使交流測量電壓UM稍有偏移，偏移量為輸入量幅值的1/3，但是第二周波一開始，偏差即被消除。
圖4中交流測量電壓波形有所變化，它無直流分量，在正半波的峰值時(shí)刻接入?？梢?，交流測量電壓的畸變要小多了。
最后，圖5表示了對交流測量電壓UM中的直流電壓分量UG的補(bǔ)償過程，接入時(shí)交流測量電壓分量通過零點(diǎn)，并帶有與交流測量電壓峰值電平相等的正的直流分量?？梢钥闯觯诮?jīng)過一個(gè)周波T后，直流電壓分量已全部被補(bǔ)償，已經(jīng)得到供測量用的純交流電壓，從而測量互感器的鐵心不致飽和，也不致因直流電壓分量使測量互感器鐵心單向予激磁而使波形畸變。
根據(jù)本發(fā)明的消除直流電壓分量的方法，相應(yīng)的電路以及裝置適用于所有類型的交流電壓網(wǎng)絡(luò)，雖然最優(yōu)使用場合是中高壓電網(wǎng)。
在圖6所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，周波或半周波也分成許多相等的時(shí)間段t。然而，這里只測量了半周波T/2中的幾個(gè)時(shí)間段Tx，它至少包含三個(gè)順序的時(shí)間段t。電壓平均值UMx是從交流測量電壓UM的幾個(gè)瞬時(shí)值Ut求得的，例如，將這些瞬時(shí)值Ut相加，再除以所用的時(shí)間段t的段數(shù)。利用幾個(gè)時(shí)間段求平均值時(shí)，所出現(xiàn)的電壓峰值或谷值不會(huì)完全出現(xiàn)在測量結(jié)果中，但是它們是被補(bǔ)償?shù)摹?br>在每個(gè)時(shí)間間隔Tx中的相應(yīng)的平均電壓值UMx在所有情況下都與平均電壓值UMx′比較，UMx′是在半周波前即T/2前求出的，所得電壓反相輸給測量放大器14。以此方法，經(jīng)過半個(gè)周波T/2后，交流測量電壓UM中的直流電壓分量已完全得到補(bǔ)償。在這種情況中，在每個(gè)時(shí)間段t后，都進(jìn)行補(bǔ)償。
圖6中畫了兩個(gè)測量段，第一個(gè)中打上寬格陰影線，陰影線從左下方向右上方傾斜，第二個(gè)中打上細(xì)格陰影線，陰影線從左上方向右下方傾斜，為了便于區(qū)別，后者均標(biāo)以下標(biāo)2。
工作原理基本上與第一個(gè)實(shí)施例相同，只是在圖6的實(shí)施例中比較的是平均值，特別之處是在半個(gè)周波即T/2后就進(jìn)行比較。電路也可以相同，只是用求平均值代替了積分運(yùn)算。這兩種方法都可以分別由所用元件中微處理器21的相應(yīng)的程序來完成，微處理器也可以與所用元件集成在一起。
還必須指出，按照本發(fā)明，在接入時(shí)刻開始就與參考電壓零值相比較，對于應(yīng)用積分方式的，比較整個(gè)一個(gè)周波，而應(yīng)用平均值方式的，則比較半個(gè)周波T/2。因此從該時(shí)刻開始就進(jìn)行直流電壓補(bǔ)償，這也使測量電路的測量互感器不致于飽和。
雖然我們顯示并說明了根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)理解的是，不僅限于此，而允許根據(jù)本發(fā)明作許多變化與修改，因此我們希望不局限在所顯示并說明了的細(xì)節(jié)上，而要求包括所有權(quán)限范圍所涉及的各種變化與修改在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用來消除電容式交流電壓分壓器中直流電壓分量的方法，特別是對中高電壓的分壓器，分壓器的交流測量電壓可以包含直流電壓分量，該交流測量電壓被送至一個(gè)測量互感器，其特征是交流測量電壓(UM)通過一個(gè)電容器(6)，再通過兩條平行線路(L1，L2)被送至一個(gè)測量放大器(14)，交流測量電壓(UM)通過一條線路(L1)直接被送到該測量放大器，而交流測量電壓(UM)中的直流電壓分量(UG)是在另一條線路(L2)中被確定的，確定的方法是將交流測量電壓(UM)分成一些小時(shí)間段(t)，每個(gè)周波(T)或半個(gè)周波(T/2)中的時(shí)間段(t)數(shù)相等，以時(shí)間段(t)作積分周期Tf不斷地對一個(gè)周波(T)中的交流測量電壓(UM)進(jìn)行積分，這樣得到的相應(yīng)的直流電壓值(UG)與原值反相地被送到測量放大器(14)，并通過后者將信號傳至測量互感器(16)。
2.用來消除電容式交流電壓分壓器中直流電壓分量的方法，特別是對中高電壓的分壓器，分壓器的交流測量電壓可以包含直流電壓分量，該交流測量電壓被送至一個(gè)測量互感器，其特征是交流測量電壓(UM)通過一個(gè)電容器(6)送至一個(gè)測量放大器(14)，其中通過了兩條平行線路(L1，L2)，交流測量電壓(UM)是直接通過一條線路(L1)送去的，而交流測量電壓(UM)中的直流電壓分量(UG)是在另一條線路(L2)中按照下列方法被確定的交流測量電壓(UM)被細(xì)分成一些小時(shí)間段(t)，每半周波(T/2)中的時(shí)間段(t)的段數(shù)都相等，幾個(gè)相接連的時(shí)間段(t)組成了半周波(T/2)中的部分時(shí)間段(Tx)，以時(shí)間段(t)為重復(fù)頻率(Tf)連續(xù)地從部分時(shí)間段的瞬時(shí)值(Ut)求出電壓平均值(UMx)，并將它與半周波之前的時(shí)間段(t)相應(yīng)的平均值(UMx′)比較，由此得到電壓差，并將該差值反相送至測量放大器(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的方法，其特征是至少有3個(gè)時(shí)間段(t)被用來求平均電壓值。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是交流測量電壓(UM)由一個(gè)被時(shí)鐘控制的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)細(xì)分成一些時(shí)間段(t)，這些數(shù)字信息被送至一個(gè)按相同的時(shí)鐘頻率被控制的數(shù)字積分器(18)，數(shù)字積分器(18)按該時(shí)鐘順序(t)對一個(gè)交流電壓周波(T)積分，并將相應(yīng)所得的一個(gè)周波(T)的數(shù)字值(UGD)送到一個(gè)也受相同的時(shí)鐘脈沖計(jì)時(shí)控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(19)，它從該數(shù)字值(UGD)產(chǎn)生一個(gè)直流電壓(UG)，(UG)以與實(shí)際存在于交流測量電壓(UM)中的數(shù)值相反的相位而被送至放大器(14)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4的其中之一的方法，其特征是交流測量電壓(UM)至少在一條平行線路(L1和/或L2)中被加此延時(shí)，或直流電壓分量(UG)被如此延時(shí)使被送至測量放大器(14)的電壓(UM-UG)的相位相對于交流測量電壓(UM)被準(zhǔn)確地位移一個(gè)或幾個(gè)周波(T)，或相應(yīng)地為半個(gè)周波(T/2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1至5中的方法，其特征是一個(gè)微處理器(21)用來完成權(quán)利要求
1和2中所指出的算法。
7.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求
1至6中任何一項(xiàng)的方法的電路，其特征是一個(gè)隔離電容器(6)的一個(gè)電極(7)與電容式電壓分壓器(4)的上端電壓電容和下端電壓電容(2，3)之間的連結(jié)點(diǎn)(5)相連，一個(gè)測量放大器(14)通過一個(gè)阻抗(13)與隔離電容器(6)的另一端相聯(lián);一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)與一個(gè)數(shù)字積分器(18)和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(19)串聯(lián)后與阻抗(13)并聯(lián)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，積分器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器由一個(gè)公用的時(shí)鐘發(fā)生器(21)進(jìn)行計(jì)時(shí)控制，從而測量電壓(UM)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)取樣而細(xì)分為許多相等的時(shí)間段(t)，每一時(shí)間段(t)的相應(yīng)的電壓值被取樣后以數(shù)字形式輸給數(shù)字積分器(18)，后者從這些數(shù)字電壓值對一個(gè)周波(T)內(nèi)的交流測量電壓進(jìn)行積分，并將這個(gè)與交流測量電壓(UM)中的直流電壓分量(UG)相應(yīng)的積分值的數(shù)字形式，以時(shí)間段(t)為重復(fù)頻率連續(xù)地送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(19)，它將與各時(shí)間段(t)相應(yīng)的直流電壓分量(UG)以模擬形式并與交流測量電壓(UM)中的直流電壓分量相位相反地，亦即經(jīng)過反相或通過一個(gè)反相器，送給測量放大器(14)。
8.按照權(quán)利要求
7的電路，其特征是有一個(gè)微處理器(21)作為時(shí)鐘發(fā)生器與控制元件。
9.按照權(quán)利要求
7或8的電路，其特征是從電容式電壓分壓器(4)處測得的交流測量電壓(UM)被送到一個(gè)電阻式電壓分壓器(8)，隔離電容(6)與該分壓器的連接點(diǎn)相連。
10.按照權(quán)利要求
7至9的任何一項(xiàng)的電路，其特征是一個(gè)放大器聯(lián)接在電容式、相應(yīng)地還有電阻式電壓分壓器(4、相應(yīng)地還有8)與隔離電容器(6)之間。
11.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求
1至6中任意一項(xiàng)中的方法的裝置，其特征是它包含一個(gè)隔離電容器(6)，一個(gè)微處理器(21)，一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(17)，一個(gè)數(shù)字式積分器(18)，一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(19)以及還可能有一個(gè)測量放大器(14)和一個(gè)測量傳感器(16)，而且這些元件按照權(quán)利要求
7至10中任意一項(xiàng)相互聯(lián)接。
專利摘要
消除電容式交流電壓分壓器中直流電壓分量的方法。分壓器處可能帶有直流電壓分量的交流測量電壓U
文檔編號G01R15/04GK86100363SQ86100363
公開日1986年9月10日 申請日期1986年1月21日
發(fā)明者羅伯特·施密特, 彼得·斯蒂芬斯 申請人:Mwb傳感器制造股份公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan