[发明专利]用于高阻抗电压传感器的虚地感测电路

说明书

本申请提供一种电压感测电路，所述电压感测电路包括：放大器(12)，所述放大器(12)具有第一输入(16)和放大器输出，所述第一输入耦连至包括虚地的节点(20)；以及第一阻抗元件(8，30)，所述第一阻抗元件(8，30)具有被结构化为耦连至所述导体的输入和通过所述节点耦连至所述放大器的第一输入的输出。所述第一阻抗元件被结构化为响应于所述导体的电压提供至所述第一阻抗元件的输入，使电流信号通过所述节点提供至所述放大器的第一输入，所述电流信号具有与所述导体上的电压成正比的电流和基本为零伏的电压。所述放大器被结构化为使输出电压在所述放大器输出处提供，所述输出电压与所述电流信号的电流成正比。

相关申请交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2015年4月1日申请的名称为“VIRTUALGROUND SENSING CIRCUIT FOR HIGH IMPEDANCE VOLTAGE SENSORS”的美国临时专利申请序号62/141,584的优先权，其通过引用被并入本文中。

技术领域

公开的构思一般涉及电压感测装置，并且更具体地涉及用于使用虚地感测电路测量电压的高阻抗电压感测装置。

背景技术

测量例如在配电系统中位于远端位置的AC电压可能产生显著的误差，特别是在使用高阻抗电压传感器时。具体地，当使用电缆传输信号时，电缆的电容可能导致错误的测量值。如果使用屏蔽电缆(通常是这种情况)，则信号线与屏蔽间的电容和高阻抗传感器形成分压器，分压器产生显著的信号衰减。此外，如果电压传感器是电阻性的，则电容性电抗还在信号中引入显著的相移。如果电缆中有其它导体，则除了产生衰减和相移之外，还会有串扰。衰减、相移和串扰都是电缆电容的函数，其随着电缆长度而增加，因电缆类型而不同。而且，在给定的多导体电缆内的线与线间的电容不同，原因是电缆中的所有导体之间的距离不同。例如，考虑在一条28个导体的圆形电缆中，中间导体相互邻近，使得线与线间的电容会相对较高，而中心与外导体间隔较远，使得线与线间的电容较低。而且，导体之间的AC电压差会导致较高的电容性电流在具有较高电容的导体之间流动。这些不经意的电容性电流产生测量误差。位于其它两个导体之间的导体往往还将这些导体相互屏蔽。如果导体之间的对地阻抗不同，这种情况被进一步复杂化。也就是说，在给定电缆中的所有导体可能并不都连接至高阻抗电压传感器。而是，在多用途电缆中，很可能是其它的电源线和信号线具有低AC对地阻抗。这会使分析复杂化，使得几乎不可能计算和补偿测量误差。

除了寄生电容的负面影响之外，由于连接器中的湿气，来自高阻抗传感器的信号还对泄露电流敏感。在户外应用中，连接器常常暴露于高湿度和变化的温度，这导致连接器中的冷凝。在安装期间，大多数连接器并不提供气密密封，一些连接器直接暴露于雨水，最终渗露。在高压(例如38kV)应用中，电压传感器通常是电阻分压器，其由连接至100k欧姆低压臂(lowarm)电阻器的200M欧姆高压电阻器组成。要引入1％的误差，湿气仅需要将连接器系统的表面绝缘电阻降低至小于10M欧姆。实践中，这种情况常常出现。在最近的实验室试验中，连接器曾被放置在水下，信号下降到其原始值的2.5％。

另一误差源来自在电缆的两侧上通常需要的电压钳制装置。在传感器侧，可能需要TVS(暂态电压抑制器)、MOV(金属氧化物变阻器)或齐纳二极管以防止在控制电缆断开并且低压臂电阻器不存在的情况下电压上升得太高。这些装置都具有寄生电容，寄生电容导致泄露电流，使信号衰减并引入相移。电容将随温度变化，这在该零件的数据手册中通常是不说明的。在电缆的另一端，感测电路还会包含这些装置之一。在这种情况下，电压钳制用于敏感的电子电路的浪涌保护。

而且，要在某距离(例如20至120英尺)上传输低电平信号时，设计者为最小化误差而做的第一件事就是规定使用屏蔽电缆。另一种技术就是使用双绞线。还有一种方法是使用个别屏蔽的导体或同轴电缆。所有这些替代方法增大了电容，并且可能使情况更加糟糕。

发明内容