一种分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案的制作方法

本实用新型涉及配电自动化领域，尤其涉及一种分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案。

背景技术：

柱上开关设备是中压配电系统中的重要设备，其运行工况直接关系到电力系统的可靠运行。开关设备分、合闸线圈动作电流蕴含着开关内部二次控制回路及机械操动机构状况，通过对这些电流信号的在线监测，可以诊断和预警开关故障，保障电力系统安全运行。

目前一般利用霍尔电流传感器测量操动线圈处的电流信号，但由于罩式馈线终端结构紧凑、空间有限，体积相对较大的霍尔传感器安装困难，因此需要其他既满足隔离传输、精确测量的性能，又方便安装的解决方案。

技术实现要素：

为解决现有的技术问题，本实用新型提供了一种分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案。

本实用新型具体内容如下：一种分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案，包括取电及信号采集电路、信号隔离传输电路，取电及信号采集电路对分合闸线圈动作电流信号进行采集，将采集到的信号通过信号隔离电路实现隔离传送，隔离后的模拟信号vout送入mcu内部的模拟数字转换器；取电及信号采集电路包括取电电路、分合闸线圈、采样电阻r1和减法电路，取电电路产生的电压vcc分别与采样电阻和分合闸线圈相串联，减法电路采集采样电阻r1两端的电压并输出差分电压vdiff至信号隔离传输电路。

进一步的，所述取电电路包括电源v3、限流电阻r25、稳压管d1，稳压管d1的负极性端连接限流电阻r25，正极性端连接接地端vss1，限流电阻的另一端连接电源v3的正极；电源v3正极还依次连接继电器s1、采样电阻r1和分合闸线圈h/fq，电源v3的负极、分合闸线圈h/fq均连接到接地端vss1。

进一步的，所述减法电路包括运放器u1、电阻r18、电阻r19、电阻r20和电阻r21，采样电阻r1靠近继电器的一端通过电阻r20连接到运放器u1的同相输入端，采样电阻r1靠近分合闸线圈h/fq的一端通过电阻r18连接到运放器u1的反相输入端，运放器的正相输入端还连接电阻r21的一端，电阻r21另一端连接接地端vss1，运放器u1的反相输入端和输出端之间设置电阻r19，运放器u1的输出端输出差分电压vdiff。

进一步的，电阻r18阻值与电阻r20阻值相同，电阻r21阻值与电阻r19阻值相同。

进一步的，在采样电阻r1靠近继电器的一端和电阻r20之间还设有电阻r2，电阻r2与电阻r1阻值相同，实现减法电路两输入端的阻抗平衡。

进一步的，所述信号隔离传输电路包括运放器u9、运放器u8、光电耦合器u4、光电耦合器u7、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17和电容c2，差分电压vdiff经过电阻r14后连接到运放器u9的反相输入端，运放器u9的反相输入端与输出端之间设置电容c2，运放器u9的正相输入端和光电耦合器u4的输出端集电极均通过电阻r13连接到电压vcc；运放器u9的输出端通过电阻r15连接到光电耦合器u7的输入端阳极，光电耦合器u7的输入端阴极连接光电耦合器u4的输入端阳极，光电耦合器u4的输入端阴极和输出端发射级均连接接地端vss1；光电耦合器u7的输出端集电极和运放器u8的正相输入端均通过电阻r16连接到电源vdd2，光电耦合器u7的输出端发射级连接接地端vss2，运放器u8的反相输入端和输出端之间设置电阻r17，运放器u8输出信号vout进入mcu内部的模拟数字转换器。

进一步的，光电耦合器u4和光电耦合器u7额输出特性和传输特性一致。

本实用新型的有益效果：本实用新型所描述的电路设计方案，同时满足精确测量、隔离传输、方便安装等要求，完全适用于罩式馈线终端的应用场景。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本实用新型的分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案的硬件方案框图；

图2为本实用新型的取电及信号采集电路的示意图；

图3为本实用新型的信号隔离传输电路的示意图；

图4为本实用新型的仿真效果图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实施例公开了一种分合闸线圈动作电流在线监测硬件设计方案，包括取电及信号采集电路、信号隔离传输电路，取电及信号采集电路对柱上开关设备分、合闸线圈的动作电流信号进行采集，采集后的信号通过信号隔离传输电路实现隔离，隔离后的模拟信号送入mcu内部的模拟数字转换器，实现模数转换及其他高级应用功能；取电及信号采集电路包括取电电路、分合闸线圈、采样电阻r1和减法电路，取电电路产生的电压vcc分别与采样电阻和分合闸线圈相串联，减法电路采集采样电阻r1两端的电压并输出差分电压vdiff至信号隔离传输电路。

如图2所示，取电及信号采集回路是指隔离前端有源器件所需电源的生成及分合闸电流信号采集。结构如下：

取电电路包括电源v3、限流电阻r25、稳压管d1，稳压管d1的负极性端连接限流电阻r25，正极性端连接接地端vss1，限流电阻的另一端连接电源v3的正极；电源v3正极还依次连接继电器s1、采样电阻r1和分合闸线圈h/fq，电源v3的负极、分合闸线圈h/fq均连接到接地端vss1。减法电路包括运放器u1、电阻r18、电阻r19、电阻r20和电阻r21，采样电阻r1靠近继电器的一端通过电阻r20连接到运放器u1的同相输入端，采样电阻r1靠近分合闸线圈h/fq的一端通过电阻r18连接到运放器u1的反相输入端，运放器的正相输入端还连接电阻r21的一端，电阻r21另一端连接接地端vss1，运放器u1的反相输入端和输出端之间设置电阻r19，运放器u1的输出端输出差分电压vdiff。在采样电阻r1靠近继电器的一端和电阻r20之间还设有电阻r2，电阻r2与电阻r1阻值相同。

如图3所示，信号隔离传输电路包括运放器u9、运放器u8、光电耦合器u4、光电耦合器u7、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17和电容c2，差分电压vdiff经过电阻r14后连接到运放器u9的反相输入端，运放器u9的反相输入端与输出端之间设置电容c2，运放器u9的正相输入端和光电耦合器u4的输出端集电极均通过电阻r13连接到电压vcc；运放器u9的输出端通过电阻r15连接到光电耦合器u7的输入端阳极，光电耦合器u7的输入端阴极连接光电耦合器u4的输入端阳极，光电耦合器u4的输入端阴极和输出端发射级均连接接地端vss1；光电耦合器u7的输出端集电极和运放器u8的正相输入端均通过电阻r16连接到电源vdd2，光电耦合器u7的输出端发射级连接接地端vss2，运放器u8的反相输入端和输出端之间设置电阻r17，运放器u8输出信号vout进入mcu内部的模拟数字转换器。光电耦合器u4和光电耦合器u7的性能一致。

本实施例中为隔离前端光电耦合器u4、运放器u1等提供的电源电压通过稳压管供电的方式实现，电压v3为24v，稳压管d1选择bzv55-b15型号，其击穿电压15v，产生15v左右的压差，形成vcc_+15v/vss1电源。为了保证后续运放器u1、u9和光电耦合器u7、u4工作消耗的电流，并留有足够裕量，限流电阻r25的阻值设计为2kω，即稳压管d1的击穿电流设计为4.5ma，足以满足隔离前端对电源的需求。

继电器s1为分、合闸动作继电器，当其动作时，流经柱上开关分、合闸线圈h/fq的分、合闸电流同样流经电阻r1，因此在电阻r1两端产生压差(vs+,vs-)。电阻r1取值5.1ω，电阻r18和电阻r20为160kω，电阻r19和电阻r21取值10kω。运放器u1及电阻r18、r19、r20、r21构成的差分减法电路采集电阻r1两端的电压，并把其共模电压缩小了r18/r19＝r20/r21倍，即缩小16倍。运放器u1的电源采用稳压管d1产生的+15v电源。电阻r2取值5.1ω，实现与电阻r1的匹配，用于平衡运放器u1的同相、反相输入端电路。

本实施例的信号隔离传输电路，将两个具有相同输出和传输特性的光电耦合器(即u4和u7)的发光二极管部分串联，并置于运放器u9的负反馈环路内。为了保证光电耦合器u4和u7性能一致，可选用同一个封装内的两通道光电耦合器。本实施例选择光电耦合器u4和u7为tlp521-1型号。选取电阻r14为1kω，电阻r13为10kω，电阻r15为470ω，电阻r16为10kω，电阻r17为10kω。

电阻r15接至运放器u9的输出脚，并与光电耦合器u7、u4的发光部分串联，以及光电耦合器u4的受光部分和运放器u9的同相输入端，共同构成运放器u9的负反馈回路。电阻r14作为限流电阻，避免过流、闩锁等对运放器u9的反相输入脚的损害。电阻r13、r16均作为光电耦合器受光部分集电极上拉电阻，分别接至隔离前后端的两个+15v电源上。电阻r17作为运放器u8反馈臂电阻，与u8构成跟随器。

当运放器u9输出电压增大时，流经u7及u4发光二极管的电流增大，进而u4的集电极电流增大，u9同相输入端电平减小，则u9输出端电平降低，因此u9的反馈环路为负反馈。尽管光电耦合器内部的发光二极管具有单向导电性和严重的非线性，但u9的负反馈环路可以克服这个非线性，实现了模拟信号准确地隔离传输。电容c2跨接在运放器u9的反相输入脚和输出脚，即使两者之间建立一个更加快速的反馈通路，促使u9容易建立负反馈。当输入信号频率不高时，c2可视为开路。在图3电路中，u7和u4是同一个封装内的两路光电耦合器，u9、u8是同一型号的运放器件，r13、r16是同样阻值和封装的电阻，这三对器件具有相对一致的性能指标和特性。由于光电耦合器u7和u4的发光二极管是串联的，因此流过两个发光管的电流是相同的，再加上u7、u4完全匹配及其外部电路完全相同，即都是发射极分别接vss1和vss2、集电极通过10kω电阻分别上拉到vcc_+15v和vdd2的15v的正电源上。基于上述电路和器件参数选型，光电耦合器u7和u4的uce完全相同，进而u9的同相输入端相对vss1的压差和u8同相输入端相对vss2的压差完全相同。由于运放器u8和电阻r17设计为跟随器模式，对信号的放大倍数为1，即有vout＝vdiff；也可把运放器u8设计为比例放大电路，输出信号vout也即成比例放大。图3中输出信号vout以1.5v电平为中心线，较好地满足了mcu内部adc对模拟量输入信号的要求。

本实施例中，运放器u1、u9和u8均选择型号为op1177ar型号。由于信号隔离时前后端所接的电源和接地端不相同，因此设置取电及信号采集电路中的运放器u1，隔离信号传输电路中的运放器u9、光电耦合器u4连接的电源均为vcc_15v，接地端均为vss1；隔离后端的运放器u8和光电耦合器u7的输出端均连接的电源为vdd2(15v)，接地端为vss2。

如图4所示为通过multisim软件仿真生成的本实施例的仿真图。设定分合闸电流在图2电阻r1两端产生幅值为1v、频率为50hz的正弦波，则在图3运放器u8脚输出信号vout。在图4中，两通道示波器的b通道显示电阻r1两端的原始波形，a通道显示运放器u8输出波形vout。从波形上来分析，输出信号vout准确地反映了原始信号，跟随性很好、失真度很小，实现了对原始信号的隔离传输。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。