一种LPCT的过电压保护电路的制作方法

本实用新型属于智能电网领域，特别涉及一种LPCT中取样电阻过电压保护技术。

背景技术：

随着智能电网建设的推进，IEC61850标准体系的颁布和推行，变电站正在逐步由传统的模式向智能化变电站过渡。智能化变电站的一、二次设备不断地朝着数字化、智能化、集成化的方向发展，以适应现代电力系统数字化的需求。电子式互感器因为其独特的优势作为智能化变电站的重要组成部分，其发展和应用是实现智能化变电站的最关键一步。电子式互感器的使用在降低变电站的综合成本的同时，更可大幅度提高电力系统内计量装置和保护装置动作的可靠性和精确度，对保证电网安全可靠运行，提高计量回路的整体精度有重大意义。

但是随着电子式互感器使用的推进，在现场呈现出来的问题也越来越多。其中最严重的就是过电压使采集单元失实甚至损坏的问题。在电子式互感器的故障统计中，电子式电流互感器的采集单元损坏最为严重，严重困扰着电子式电流互感器的大面积推广应用。

电子式电流互感器的传感单元主要是由低功率电子式电流互感器(Low Power Current Transformer，LPCT)和罗氏线圈(Rogowski)组成的，实现对电力系统的电流计量和保护功能。LPCT先将一次大电流通过一定变比转换成二次小电流，取样电阻将二次小电流转换成正比于一次大电流的小电压信号输出。当母线上产生过电流和过电压时，取样电阻上就会产生远高于正常值的电压信号，一方面取样电阻本身会承受大量能量，加速取样电阻老化降低电阻值精度，另一方面高于正常值的电压信号会传输至采集单元，使采集单元损坏。采集单元是由电子电路板组成，其耐压能力很弱，在远大于正常工作电压信号进入时，就会使其损坏。对取样电阻本身的影响和采集单元的损坏都会严重影响电子式电流互感器的正常工作，从而破坏电力系统的安全可靠运行。

为降低对LPCT中取样电阻本身和后端的采集单元的影响，需要设计一种保护电路置于LPCT中。现有技术中未有针对此种情况的取样电阻保护电路，现有技术或是过电压保护电路达不到取样电阻过电压的保护要求，或是过电压保护电路设计复杂，不能满足现场的实际情况；取样电阻保护电路设计需要克服的问题：一是需要抑制幅值可能高达数百伏的过电压，二是需要抑制上升时间在几十纳秒到几百纳秒的特快速暂态过电压。

但是现有的过电压保护电路要么不能抑制数百伏的过电压，要么不能抑制特快速暂态过电压，或是设计复杂，不能满足传感单元的设计和实际使用要求。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种LPCT的过电压保护电路及其参数选取方法，采用气体放电管抑制采样电阻上高幅值过电压；采用TVS抑制采样电阻上特快速暂态过电压。

本实用新型采用的技术方案为：一种LPCT的过电压保护电路，包括两级保护电路；

第一级保护电路包括：第一电阻与气体放电管，第一电阻第一端与LPCT中铁芯线圈第一端相连，第一电阻第二端与气体放电管第一端相连，气体放电管第二端与LPCT中铁芯线圈第二端相连；

第二级保护电路包括：第二电阻与TVS，第二电阻第一端与第一电阻第二端相连，第二电阻第二端与TVS第一端相连，TVS第二端与LPCT中铁芯线圈第二端相连。

进一步地，还包括取样电阻，取样电阻第一端与TVS第一端相连，取样电阻第二端与TVS第二端相连。

进一步地，将TVS替换为ESD。

本实用新型的有益效果：一种LPCT的过电压保护电路，采用第一电阻与气体放电管组合抑制由于电网中出现断路器动作、切除大型负载或切除空载变压器等母线上产生的各种过电压和涌流；本实用新型采用第一电阻、第二电阻与TVS组合抑制电网中出现上升时间极短的特快速暂态过电压；本实用新型的过电压保护电路，对取样电阻上幅值高达数百伏和上升时间极短的过电压都能形成保护，并且结构设计简单、使用安全可靠，并且对取样电阻的保护效果显著。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的LPCT的过电压保护电路结构图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型的技术内容，下面结合附图对本实用新型内容进一步阐释。

本实用新型在现有的LPCT基础上，提出一种对取样电阻上幅值高达数百伏和上升时间极短的过电压都能形成保护的保护电路，具体电路结构如图1所示，包括：第一电阻R1、第二电阻R2、取样电阻R3、气体放电管以及TSV(Transient Voltage Suppressor，TVS)；第一电阻R1第一端与LPCT中铁芯线圈第一端相连，第一电阻R1第二端与气体放电管第一端相连，气体放电管第二端与LPCT中铁芯线圈第二端相连；第二电阻R2第一端与第一电阻R1第二端相连，第二电阻R2第二端与TVS第一端相连，TVS第二端与LPCT中铁芯线圈第二端相连；取样电阻R3第一端与TVS第一端相连，取样电阻R3第二端与TVS第二端相连。

限流电阻R1和气体放电管组合抑制幅值较高的过电压，限流电阻R1、R2和TVS的组合抑制特快速暂态过电压，形成整个结构设计简单、合理，同时保护效果显著的取样电阻保护电路。具体抑制原理如下：

当电网中出现断路器动作、切除大型负载或切除空载变压器等，母线上就会产生各种过电压和涌流，LPCT感应到的这些过电压和涌流会先通过限流电阻R1，限流电阻R1会起到分压和抑制涌流的作用，减小对后续电路的影响。之后由于大的过电压加在气体放电管两端，气体放电管就会导通放电，电压瞬时降低，限流电阻R1和气体放电管的配合以保护后续电路。

当电网中出现上升时间极短的特快速暂态过电压时，如GIS站中隔离开关的动作引起的操作过电压，过电压就会先经过限流电阻R1，R1起到抑制过电压和过电流的作用。这时气体放电管并不会动作，因为气体放电管的响应时间大于过电压的上升时间。之后限流电阻R2会进一步的进行抑制过电压和过电流，TVS的导通响应时间为10^-12s级，然后TVS会导通进行钳位保护。限流电阻R1、R2和TVS的合理配合以保护第三级的取样电阻。

在参数选取部分中，主要的步骤如下：

(1)在整个电路的参数选取中，主要的参数有5个。三个电阻R1、R2和R3的电阻值，气体放电管脉冲放电电压，TVS钳位电压值。

(2)所有的参数选取采用倒推的方式进行，即先确定第三级电路，最后确定第一级保护电路。

(3)通过理论和数据分析，过电压幅值一般在2.0pu以上，为了不失一般性并同时确保保护电路的可靠性，这里考虑幅值为2.0pu时过电压情况下的各元件参数。正常工作情况下只要采样电阻上有合理的电压信号，后续的采集单元里的调理电路都可进行调理不会影响正常情况下的数据测量。

(4)相应的参数选取如下，以110kV GIS站为例，隔离开关操作时母线上会产生近2.0pu的操作过电压，在LPCT中采样电阻上会产生幅值近500V的过电压。

第一步：采样电阻R3。通过查阅相关资料，LPCT的采样电阻通常设置的较小，一般取1Ω。

R3＝1Ω

第二步：TVS钳位电压值。接在采样电阻后的采集单元里的运放和A/D转换器的工作电压值在4.096V，这里为保证后续电路的安全性，同时考虑在允许的范围内向后传输数据，便于记录相关信息分析元件使用寿命。选取钳位电压值为5V的双向TVS。

TVS钳位电压值＝5V

第三步：气体放电管脉冲放电电压。气体放电管通常的电压使用范围为75V-3500V，TVS为5.5V-500V，TVS相对气体放电管通流能力较弱，为了保证保护电路的可靠性和兼顾TVS的不足，这里取气体放电管的脉冲放电电压为100V。

气体放电管脉冲放电电压＝100V

第四步：限流电阻R1和R2。对R1和R2电阻值的选取需要同时考虑，相应的约束条件有两个。第一，上一步中取气体放电管的脉冲放电电压为100V,因此R1和R2的电阻之比在500V的过电压下应约为4：1。第二，正常情况下R3上的电压信号标准值有数mV到数V等多个电压等级，这里取1V，因此，R1和R2的电阻值之和不能太大，需要考虑正常工作情况下R3下会有合适的电压信号输出，这里设置为10mV。

由上，有：

R1:R2＝4：1

所以有：R1＝80Ω，R2＝2OΩ。

因此：R1＝80Ω，R2＝2OΩ，R3＝1Ω，气体放电管脉冲放电电压100V，TVS钳位电压值5V。

说明：以上是针对某一情况下的参数选取步骤，只是为了便于说明，但其参数选取方法仍不失一般性。在其他电压等级时参考上述相应的影响因子，仍能容易得出保护电路中相应的元件参数。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。