一种具有过流保护的高压电能表的制作方法

1.本实用新型涉及电力保护技术领域，具体涉及一种具有过流保护的高压电能表。


背景技术：

2.目前高压计量普遍将高压侧大电压、大电流通过传统互感器或者电子式互感器变为小电压信号输入到专用计量芯片进行电压电流采集、功率采集、电能计量等。当高压电能表配备外置断路器时需要满足过流保护功能，而使用计量芯片测电流需要通过spi读取电流有效值，且计量芯片的电流有效值更新速度慢，故仅靠计量芯片难以满足过流保护的速动性要求，这使得必须独立于高压表之外单独配备过流保护装置进行10kv过流保护，降低了高压侧计量、保护功能的集成度，增加了接线复杂度，也大大提高了设备的投入成本。


技术实现要素：

3.本实用新型提出了一种具有过流保护的高压电能表，其目的是：克服现有技术的缺陷，在高压电能表中集成过流保护，提高高压侧计量、保护功能的集成度，降低设备成本。
4.本实用新型技术方案如下：
5.一种具有过流保护的高压电能表，包括电流互感器、过流保护采样电路和mcu，所述过流保护采样电路的一端与电流互感器相连接，过流保护采样电路的另一端与所述mcu相连接，所述mcu还通过断路器遥信模块与断路器相连接。
6.所述过流保护采样电路包括分压电路、运算放大器a1、电压偏移电路和钳位电路，电流互感器依次通过所述分压电路和运算放大器a1与所述电压偏移电路相连接，所述电压偏移电路的输出端通过所述钳位电路与mcu的ad转换引脚相连接。
7.进一步地，所述电压偏移电路包括电压基准芯片、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6和运算放大器a2，所述运算放大器a2的正输入端通过电阻r3与所述电压基准芯片相连接，运算放大器a2的正输入端还通过电阻r4与所述运算放大器a1的输出端相连接，运算放大器a2的输出端通过串联的电阻r5和电阻r6接地，运算放大器a2的负输入端与电阻r5和电阻r6间的连接点相连接,运算放大器a2的输出端还与所述钳位电路的输入端相连接。
8.进一步地，所述钳位电路包括第一二极管d1和第二二极管d2，第一二极管d1和第二二极管d2串联连接于3.3v电源端和gnd端之间，第一二极管d1和第二二极管d2的电流导通方向均为gnd端指向3.3v电源端。
9.进一步地，所述分压电路包括电阻r1和电阻r2，电流互感器通过串联的电阻r1和电阻r2接地，电阻r1和电阻r2之间的连接点与所述运算放大器a1的正输入端相连接，运算放大器a1的负输入端与运算放大器a1的输出端相连接构成电压跟随器。
10.进一步地，所述断路器遥信模块包括光耦隔离电路和防击穿电路，所述mcu的控制引脚依次通过所述光耦隔离电路和防击穿电路与所述断路器的遥控端口相连接。
11.所述光耦隔离电路包括光耦u1、三极管q1、电容c1、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11和电阻r12，mcu的控制引脚通过电阻r8与三极管q1的基极相连接，三极管q1的基极和发
射极之间连接有并联的电容c1和电阻r9，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极与光耦u1的输入端负极相连接，光耦u1的输入端正极通过电阻r10与3.3v电源端相连接，光耦u1的输出端集电极通过电阻r11与24v电源端相连接，光耦u1的输出端发射极通过电阻r12连接至所述光耦隔离电路的输出端。
12.进一步地，所述防击穿电路包括三极管q2和二极管d1，三极管q2的基极连接至所述防击穿电路的输入端，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极与二极管d1的阳极相连接，二极管d1的阴极连接至24v电源端，三极管q2的集电极还与所述断路器遥信模块的输出端相连接。
13.进一步地，所述光耦隔离电路的输出端还通过并联的电阻r13和电容c2接地。
14.进一步地，所述高压电能表还包括计量芯片，所述计量芯片的一端通过计量芯片采样电路与电流互感器相连接，计量芯片的另一端与所述mcu相连接。
15.相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
16.（1）相对于仅靠计量芯片实现过流保护的技术方案，本方案通过过流保护采样电路将双极性电压信号转变为单极性电压信号，并直接给到mcu自带的adc进行实时采集，一周波内即可判断有无过流，满足了过流保护的速动性要求；相对于单独配置过流保护装置的技术方案，本方案将过流保护功能集成在高压电能表中，提高了高压侧计量、保护的集成度，降低了高压侧的设备体积、设备量以及设备成本；
17.（2）过流保护采样电路中的电压跟随器降低了采样电路对电流信号的影响，钳位电路的保护作用提高了电路的稳定性；断路器遥信模块中的光耦隔离电路、滤波电路和防击穿电路设计，提高了过流保护时遥控断路器动作的安全性和可靠性；
18.（3）本实用新型电路结构简单，易于实现和推广。
附图说明
19.图1为本实用新型的结构示意图；
20.图2为过流保护采样电路的电路图；
21.图3为断路器遥信模块的电路图。
具体实施方式
22.下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案：
23.如图1，一种具有过流保护的高压电能表，包括电流互感器1、过流保护采样电路2和mcu5，所述过流保护采样电路2的一端与电流互感器1相连接，过流保护采样电路2的另一端与所述mcu5相连接，所述mcu5还通过断路器遥信模块6与断路器7相连接。所述电流互感器1为电子式互感器，用于将高压侧大电流按比例转换为小电压信号，所述mcu5为基于cortex
‑
m4内核的单片机芯片，用于根据采集信号判断是否过流，其型号为stm32f407。
24.如图2，所述过流保护采样电路2包括分压电路、运算放大器a1、电压偏移电路和钳位电路，电流互感器1依次通过所述分压电路和运算放大器a1与所述电压偏移电路相连接，所述电压偏移电路的输出端通过所述钳位电路与mcu5相连接。
25.所述分压电路包括电阻r1和电阻r2，电流互感器1通过串联的电阻r1和电阻r2接地，电阻r1和电阻r2之间的连接点与所述运算放大器a1的正输入端相连接，运算放大器a1
的负输入端与运算放大器a1的输出端相连接构成电压跟随器。
26.所述电压偏移电路包括电压基准芯片、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6和运算放大器a2，所述运算放大器a2的正输入端通过电阻r3与所述电压基准芯片相连接，运算放大器a2的正输入端还通过电阻r4与所述运算放大器a1的输出端相连接，运算放大器a2的输出端通过串联的电阻r5和电阻r6接地，运算放大器a2的负输入端与电阻r5和电阻r6间的连接点相连接,运算放大器a2的输出端连接至所述钳位电路。
27.所述钳位电路包括第一二极管d1和第二二极管d2，第一二极管d1和第二二极管d2串联连接于3.3v电源端和gnd端之间，第一二极管d1和第二二极管d2的电流导通方向均为gnd端指向3.3v电源端，第一二极管d1和第二二极管d2之间的连接点通过电阻r7连接至所述mcu5的ad转换引脚。
28.所述过流保护电流采样电路用于将双极性电压信号转变为单极性电压信号，以a相为例说明其工作原理。ia为电流小电压信号，经r1、r2分压后接入高输入阻抗的电压跟随器，以降低过流保护采样电路2对ia信号的影响；由于mcu内置adc不支持双极性采样，而ia为幅值正负变换的正弦波，故经电压偏移电路将ia信号向上偏移1.25v，其中，1.25v由电压基准芯片提供；最后经钳位保护二极管将信号输入mcu5的ad转换引脚。由此，过流保护采样电路将由电流互感器获取的电流信号直接给到mcu内的adc进行实时采集，一周波（20毫秒）内即可判断有无过流，满足了过流保护的速动性要求；进一步地，过流保护采样电路得到的采样值可用于通过mcu进行傅里叶变换，从而能够通过算法区分励磁涌流，防止误动。
29.如图3，所述断路器遥信模块6包括光耦隔离电路和防击穿电路，所述mcu5的控制引脚依次通过所述光耦隔离电路和防击穿电路与所述断路器7的遥控端口相连接。
30.所述光耦隔离电路包括光耦u1、三极管q1、电容c1、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11和电阻r12，mcu5的控制引脚通过电阻r8与三极管q1的基极相连接，三极管q1的基极和发射极之间连接有并联的电容c1和电阻r9，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极与光耦u1的输入端负极相连接，光耦u1的输入端正极通过电阻r10与3.3v电源端相连接，光耦u1的输出端集电极通过电阻r11与24v电源端相连接，光耦u1的输出端发射极通过电阻r12连接至所述光耦隔离电路的输出端。
31.所述防击穿电路包括三极管q2和二极管d1，三极管q2的基极连接至所述防击穿电路的输入端，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极与二极管d1的阳极相连接，二极管d1的阴极连接至24v电源端，三极管q2的集电极还与所述断路器遥信模块6的输出端相连接。
32.进一步地，所述光耦隔离电路的输出端还连接有滤波电路。所述滤波电路包括并联连接的电阻r13和电容c2，电阻r13和电容c2的一并联端与所述光耦隔离电路的输出端相连接，另一并联端接地。
33.所述断路器遥信模块6用于将单片机3.3v信号转换为控制断路器7的24v信号。遥控跳合闸的合闸、分闸使用两路24v遥控信号，低电平有效。单片机通过控制2个gpio引脚从而控制合闸、分闸遥控信号的电平。以遥控分闸为例，yk_fz_in连接单片机的分闸控制引脚，yk_fz_out连接断路器7的分闸遥控端口。当需要发送遥控分闸命令时，yk_fz_in输出高电平，经过光耦隔离后驱动后级24v电源系统，使得yk_fz_out发出低电平遥控分闸信号。遥控合闸原理相同。
34.所述断路器7为24v信号控制的三相断路器，由mcu5控制断路器遥信模块6实现跳合闸动作。
35.进一步地，所述高压电能表还包括计量芯片4，所述计量芯片4的一端通过计量芯片采样电路3与电流互感器1相连接，计量芯片4的另一端与所述mcu5相连接。所述计量芯片采样电路3和计量芯片4用于进行电路采集、功率计算和电能累计，所述计量芯片采样电路3包括自恢复型保险丝、分压器和rc滤波电路，计量芯片4的型号为ht7038。
36.本实用新型将过流保护功能集成在高压电能表中，将电流信号一分为二供计量模块和过流保护模块利用，提高了高压侧计量、保护的集成度，降低了高压侧的设备体积、设备量以及设备成本。