弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統研制

劉儉，姜春陽，周峰，殷小東，劉浩，李敏

(1.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074； 2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，南昌 330000)

0 引 言

隨著智能電網的不斷建設，國網正大力推進一二次電氣設備的深度融合，以實現饋線狀態監測控制，故障定位處理等功能，提高配網自動化水平。作為配網一二次融合中的重要設備-交流電壓傳感器應同時滿足測量和保護的要求，且兼顧小型化，可與柱上開關等一次設備進行集成融合。目前正在逐步推廣應用的一二次融合電壓傳感器均為小信號輸出相關技術要求，一二次融合交流電壓傳感器的輸出電壓為3.25/3 V。相較而言，各省公司及國家高電壓計量站等計量機構的標準電壓互感器輸出均為100 V或100/3 V。為建立弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統，實現其量值溯源，文中以同樣為弱輸出的有源V/I轉換電容分壓器作為標準器，其具有優良頻率特性和較高測量準確度，并對后側負載無高輸入阻抗的要求。但其額定輸出為5 V反相電壓信號[1-3]。為使標準器和傳感器輸出電壓匹配，使雙通道誤差測試單元工作在最佳性能狀態，論文設計了采用雙級電磁線圈進行反饋補償的精密電壓匹配單元，以實現標準器輸出信號的反相和按比例分壓，并對其進行誤差分析和測試。最終建立了包含有源標準器、精密電壓匹配單元和雙通道誤差測試單元在內的弱輸出傳感器誤差校驗系統，完成了不同原理的弱輸出電壓傳感器誤差測試。

1 弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統

圖1為弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統示意圖，包括有源標準器、精密電壓匹配單元和雙通道高精度誤差測試系統。

圖1 弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of error calibration system for weak output voltage sensor

有源標準器為弱輸出有源V/I轉換原理的電容分壓器，其分壓點為0電位，且對后側負載無輸入阻抗的要求。有源電容分壓器額定輸出電壓為5 V，且有源V/I轉換原理決定其輸出為反相電壓，弱輸出一二次融合電壓傳感器的輸出為3.25/3 V，而基于Labview和NI PXI-5922的雙通道誤差測試系統的兩通道輸入電壓比例控制在0.5～1.0之間，以達到其最佳性能，此時其測量誤差小于0.5 ppm。為實現弱輸出傳感器與有源標準器輸出電壓間的匹配，設計精密電壓匹配單元對有源電容分壓器電壓進行反相和比例轉換，配合高精度雙通道誤差測試系統實現弱輸出一二次融合電壓傳感器的誤差校驗。

2 有源V/I轉換標準電容分壓器

采用基于有源V/I轉換原理的電容分壓器作為標準器，其原理圖如圖2所示，高低壓臂電容分別為壓縮氣體標準電容器和低損耗固體介質電容器。配合相應的輔助電路共同完成電壓的準確測量[4-8]。

圖2 有源V/I轉換標準電容分壓器原理圖Fig.2 Schematic diagram of the active V/I conversion standard capacitor voltage divider

相比于傳統電容分壓器，基于有源V/I轉換原理的電容分壓器屏蔽電位為地電位，其與高低壓臂電容連接點的0電位相同，不會產生由泄漏電流引起的附加誤差，且后端負載不會等效并聯在低壓臂電容上，從而對分壓器分壓比造成誤差。

其自身的比差和角差可以通過式(1)和式(2)進行計算。

(1)

(2)

其中α1、α2為電壓U1和U2下高壓電容電容值的電壓系數；RH和RL分別為高、低壓臂電容的并聯等效阻抗。

3 精密電壓匹配單元

3.1 基本原理

由于有源標準器額定為反相5 V信號輸出，因此需設計精密電壓匹配單元以使弱輸出傳感器的輸出與標準器輸出匹配。精密電壓匹配單元如圖3所示。精密電壓匹配單元通過C1將V1信號進行等比例降壓，因此轉換單元的輸出Vo也將受到反饋回路的調節而與標稱值之間達到極小的誤差。反相信號V1與輸入信號Vi之間的修正量Vf通過反饋注入Vi，使得V1與期望信號之間具有極小的誤差，從而使Vo與Vi之間具有精確的比例電壓增益。

圖3 精密電壓轉匹配單元原理圖Fig.3 Schematic diagram of accurate voltage conversion matching unit

3.2 誤差分析

對于主回路而言，G2的存在使得主回路開環電壓增益大大提高。設主回路運放的開環電壓增益分別為AV1和AV2，則主回路引入的誤差由Δ3減小為Δ4。

其中：

(3)

(4)

一般運放的開環電壓增益為100 dB甚至更高，選取合適的電壓增益，可以使由開環電壓增益引入的誤差忽略不計。

在由主回路和反饋回路構成的電路中，輸入和輸出可用式(5)表示：

(5)

設線圈C1和C2電磁轉換誤差分別為ε1、δ，且C2的轉換比例為K，則：

V2=V1(1+ε1)

(6)

(7)

線圈C1二次分接抽頭與電壓轉換單元輸出Vo之間的誤差為ε2，且其比例為m，則：

Vo=mV2(1+ε2)

(8)

根據式(5)～式(8)，電壓轉換單元輸出Vo和Vi之間的關系可以用式(9)來計算：

(9)

(10)

(11)

將式(10)和式(11)代入式(9)有：

(12)

因此，Vo和Vi之間的關系可以推導如下：

(13)

精密電壓匹配單元的輸出和輸入之間的誤差為：

(14)

由式(14)可知，選取合適的參數G1，精密電壓匹配單元的輸出信號誤差可近似通過為ε2和δ表示。通過對反饋線圈合理電磁設計，可以使精密電壓匹配單元具有極高的精度。

3.3 精密電壓匹配單元設計及性能測試

線圈C1具有多組分接抽頭，其將反相信號進行比例降壓并將反相信號提供至反饋回路。線圈C2提取輸入信號和輸出信號的差壓并將其放大G1倍后反饋至運放Vi輸入端。線圈C1和線圈C2均采用雙級感應結構，如圖4所示。

圖4 梯度屏蔽雙級結構線圈原理圖Fig.4 Schematic diagram of gradient shielded two-stage structure coil

一次勵磁繞組和比例繞組具有相同的匝數且并聯在輸入電壓上，設計梯度屏蔽結構減小比例繞組泄漏電流及容性誤差，屏蔽電位由勵磁繞組提供。二次繞組為多組分列繞組，具有相同匝數且和一次比例繞組繞在第一級和第二級鐵芯上。線圈的第一級空載壓降加在第二級的一次，減小第二級空載壓降，整體誤差[9]可以表示為：

ε=-Z1eZ1Ym1Ym2

(15)

式中Z1e和Z1分別為第一級和第二級一次阻抗；Ym1和Ym2分別為第一級和第二級勵磁導納。

綜合考慮鐵芯材料勵磁特性、尺寸和輸入電壓等因素，對線圈的鐵芯截面積、磁感應強度和一二次匝數進行設計[10]。線圈C1的鐵芯分別采用硅鋼片和坡莫合金材料，相應的磁感應強度為1.0 T和0.4 T，線圈C2的原理及結構與線圈C1類似。

采用實驗室單盤感應分壓標準器完成精密電壓轉換單元整體誤差測試，如圖5所示。不同分壓比下，有源標準器單級比差變化不超過0.7 ppm，角差變差不超過0.25 urad。對精密電壓匹配單元的誤差測量結果如圖6所示，精密電壓匹配單元的比差在不同比例下不超過21.8 ppm，角差約為14.1 urad。

圖5 精密電壓匹配單元測試實物圖Fig.5 Test picture of precision voltage matching unit

圖6 精密電壓匹配單元誤差測試結果Fig.6 Test results of precision voltage matching unit

4 弱輸出電壓傳感器誤差校驗

通過研制高精度有源標準器，精密電壓匹配單元，配合雙通道誤差測試單元[11]，完成弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統研制，如圖7所示。

圖7 誤差校驗系統Fig.7 Error calibration system

采用研制的誤差校驗系統對10 kV電容式及阻容式等弱輸出電壓傳感器進行2%、5%、20%、100%、120%和190%額定電壓下的誤差校驗[12-14]。圖8所示為弱輸出電壓傳感器#1(電容分壓式)額定負荷(2 MΩ)和下限負荷(0 VA)條件下三相誤差校驗結果。圖9所示為弱輸出電壓傳感器#2(阻容分壓式)額定負荷(4.8 MΩ)和下限負荷(0 VA)條件下三相誤差校驗結果。測試結果表明，額定負荷下電壓傳感器#1比差不超過0.5%，角差不超過8′；電壓傳感器#2比差不超過0.15%，角差不超過：-10′。#1與#2均滿足0.5級傳感器不同電壓百分數下的誤差限值要求。不同負荷下，傳感器在不同電壓等級下的誤差變化趨勢相同；且電壓傳感器#2在不同電壓等級下比差變化遠好于電壓傳感器#1。

圖8 電壓互感器#1不同負荷下三相誤差測試結果Fig.8 Three-phase error test result of voltage transformer # 1 under different loads

圖9 電壓互感器#2下限負荷下三相誤差測試結果Fig.9 Three-phase error test result of voltage transformer # 2 under different loads

5 結束語

文中以具有良好測量準確度和帶載能力的有源V/I轉換電容分壓器為標準器，建立弱輸出電壓傳感器誤差校驗系統。為實現標準器和電壓傳感器的輸出電壓匹配，設計了具有反相和比例分壓功能的精密電壓匹配單元，通過對精密電壓匹配單元進行誤差分析、參數設計和測試，其比差小于21.8 ppm，角差小于14.1 urad。最后配合高精度雙通道誤差測試系統，建立了適用于弱輸出電壓傳感器的誤差校驗系統，并對不同原理的電壓傳感器進行了誤差校驗。文中所設計的精密電壓轉換單元將提高有源比例標準的適用性，研制的誤差校驗系統對于弱輸出傳感器的量值溯源和誤差校驗具有工程實用意義。