CN1005653B - 互感器自动校验仪 - Google Patents

Abstract

用于电测领域的互感器自动校验仪，设置一套增益调整系统、自动校正系统和密采样保持一Ａ／Ｄ变换器，并在微机管理下分时复用，避免了待测信号经多路处理引入的误差，可获得高测量准确度及良好的稳定性和重复测试的一致性。采用１２^ｂｉｔＡ／Ｄ变换器的校验仪，全测量范围的分辨力均高于示值的０．１％，测量准确度优于０．５％，校验仪自动化程度高，具有测量电压或电流互感器、阻抗、导纳、小电流、小电压、大电流和大电压的功能。

Description

互感器自动校验仪

本发明属于互感器参数电测领域。

互感器校验仪（又称互感器比较装置）广泛用于电力系统和仪用的电压互感器或电流互感器（以下统称互感器）的参数测试，其藉助于一个与被测互感器变比相同的标准互感器，测出被测互感器相对于标准互感器的比率误差（简称比差）f和相角误差（简称角差）δ。互感器都须作定期校验，即在不同的工作电流或电压、负荷及变比下进行多点测量，不仅测试工作量繁重，而且要求有较高的测试准确度。因此，提高互感器校验仪的自动化程度及测试的准确度和稳定性是本电测领域的重要课题之一。

互感器校验仪通常采用差动平衡比较法或非平衡差动法测量原理。西德专利DT 2430134和《Trans.Instrum.Meas.》杂志1983.1M-32报导的“使用微处理机的仪用互感器比较装置”采用平衡比较法来简接测量互感器的误差，装置校正步骤繁多、检零平衡困难，要获得较高的测试准确度则设备复杂，使用不便。已有技术ZHE-1型互感器校验仪使用微机采用非平衡差动法，即通过对被测互感器二次回路与标准互感器二次回路的差动信号和标准互感器二次回路的工作信号（又称标准信号）的测试，直接测量互感器的误差。该校验仪由输入回路、输入多路开关、自校系统、采样脉冲形成电路、采样保持-模数变换器（以下简称S/H-A/D变换器）、微机系统、电源和操作指示面板组成。在工作信号过零点时刻对差动信号进行采样，得到差动信号的正交分量幅值，在工作信号过

角频率时刻对差动信号进行采样，得到差动信号的同相分量幅值，微机按下式计算比差f和角差δ：

为保证测量的准确度，理论上要求采样脉冲与工作信号严格同步，为此该校验仪采用了多级放大、滤波、鉴相、波形变换和锁相、整形一套极为复杂的采样脉冲形成电路。为指示工作信号的额定工作点百分表值，该校验仪还设置了精密整流电路和第二套A/D变换器，自校系统设置“校测开关”需人工校正和调整。由于ZHE-1型互感器校验仪采用了一套独立于被测信号测试回路的采样脉冲形成电路，尽管使用了相移补偿、鉴相和锁相技术，仍不可避免地在工作信号和采样脉冲之间引入了相移，此相移又随环境条件而变化，从而直接影响校验仪的测量准确度和稳定性。该校验仪在操作指示面板上采用了过多的操作开关，测试前必须校正和调节。不难看出，上述校验仪电路复杂，调试难度大，测量准确度和稳定性欠佳，重复测量的一致性差，硬件电路和微机功能未能得到充分利用，智能化程度不高，操作使用不便。

本发明的目的是提出一种应用微机采用非平衡差动测量法的互感器自动校验仪，构思新颖，用较少的、易于实现、调试方便的硬件电路，在微机系统管理下实现互感器参数自动测量，不仅可获得较高的测量准确度及良好的稳定性和重复测试一致性，而且自动化程度高，具有多种参数测量功能。

根据上述任务而提出的解决方案，由输入回路、输入多路器、自校系统、采样脉冲形成电路、S/H-A/D变换器、微机系统、电源和操作指示面板组成的互感器自动校验仪的特点是：

（1）设置增益调整系统，使全测量范围内的各种信号经增益调整后，输入到A/D变换器的信号幅值均在±

U_AD～±U_AD的A/D变换最佳工作范围内（U_AD为A/D变换器的额定输入电压）。

（2）S/H-A/D变换器在等间隔密采样脉冲控制下工作，采样脉冲形成电路的采样频率为60～80倍信号频率，A/D变换器的字长为12～16bit位。微机系统把S/H-A/D变换结果中最接近信号幅值的采样值确定为信号幅值，利用最接近信号零点的采样值来确定信号的瞬时相位，推算出小信号△

（互感器参数测试时为差动信号）和工作信号

之间的相位差α（互感器参数测试时为误差角），解算出同相分量幅值△Sf和正交分量幅值△S_δ，计算式为：

△S_f＝△S·COSα;

△S_δ＝△S·Sinα，

从而求得比差f和角差δ，计算式为：

（精确算式）

（弧度）

对阻抗、导纳、小电流、小电压、大电流、大电压的测量均可归结为对小信号幅值△S、工作信号幅值S₂₀及小信号与工作信号之间的相位差α的测量，关系式如下：

A 阻抗 （有功分量）;

（无功分量）;

B 导纳 （有功分量）;

（无功分量）;

C 小电流

（有效值）;

（有效值）;

D 小电压

E 大电流

（有效值）;

F 大电压（有效值）。

（3）在测量小信号和工作信号及动态校正增益调整系统的放大量G时，由微机控制分时复用输入多路器、增益调整系统、等间隔密采样S/H-A/D变换器、采样脉冲形成电路和输出多路器。每一次测量循环，先校正增益调整系统的放大量G，再分别对经过增益调整系统调整的工作信号和小信号进行S/H-A/D变换，各采样N个信号周期（20＞N＞2）。

（4）增益调整系统由多级放大器和数字衰减器及带通泸波器组成。放大器可为分离元件的晶体管放大器或集成电路模拟放大器，数字衰减器由电阻器和模拟多路器组成，每一级数字衰减器在微机控制下可实现2°～2^-（n-1）倍衰减（n为多路器输入端数）。系统增益为G×K，K为系统衰减量，由微机控制自动调整。

（5）自校系统为放大量动态自动校正系统。系统主要由参考信号产生电路组成，借助输入多路器、增益调整系统、输出多路器、S/H-A/D变换器和采样脉冲形成电路。参考信号产生电路由工频信号源、放大器、波形变换器和带通滤波器组成。每执行一次测量循环，在微机控制下利用参考信号动态地校正增益调整系统的放大量G，表达式如下：

式中U_R为参考信号U_R直接经输出多路器的A/D变换输出值;U′_R为参考信号u_R经分压（分压系数C＜1）和增益调整系统的A/D变换输出值（取u_R＜U_AD），K为系统衰减量（K≤1）。

（6）由微机按动态测定的增益调整系统的放大量G和微机调整的衰减量K，算出工作信号幅值S₂₀，求出工作信号额定工作点的百分表值P%，算式如下：

式中S_N为人工设定的工作信号额定值。

本发明的效果显而易见：

（1）设置增益调整系统，实现全测量范围的等精度测量（示值误差为精度×示值，示值的相对误差与量程、示值无关），测量准确度显著优于已有校验仪的“FS”（即满量程）精度测量（示值误差为精度×示值+分辨力，示值的相对误差随示值的减小而增大），采用12bit字长的A/D变换器，分辨率≥0.1%。

（2）采用等间隔密采样的S/H-A/D变换，采样脉冲形成电路易于实现，用最接近过零点的密采样值确定信号的瞬时相位，解算出两路信号的相位差α，由此计算正交分量幅值，其准确度高于已有技术在过零点瞬时直接测量正交分量幅值的准确度。角差δ用精确算式，比一般沿用的近似算式提高测量准确度f倍，当被测互感器的比差f劣于0.5%时，δ测量准确度的提高是可观的。

（3）动态校正增益调整系统的放大量G，使其误差≤0.1%，既提高工作点百分表值P%的测量准确度，又保证了良好的重复测量一致性。

（4）两路待测信号和自动校正系统分时复用增益调整系统、S/H-A/D变换器和采样脉冲形成电路，使一套硬件电路得到充分利用，避免待测信号经多路处理而引入的放大量和相移的不一致性及环境条件的影响，提高了测量准确度和稳定性，保证了良好的重复测量一致性。

（5）用等间隔密采样-A/D变换的结果来测定工作信号幅值S₂₀、小信号幅值△S（测试互感器参数时为差动信号）和小信号相对于工作信号的相位差α（测互感器参数时为误差角α），使校验仪的功能得到扩展，具有自动测量电压互感器和电流互感器参数及阻抗、导纳、小电流、小电压、大电流、大电压参数的功能。

（6）开机后不必人工校正和调整，即可正确进行测量，自动化程度高，操作使用方便，减轻测量工作强度、显著提高测量工效。

图1为信号关系矢量图。

图2为本发明的互感器自动校验仪的原理框图。

图3为依据本发明提出的互感器自动校验仪的方框图。

图4为图3所示互感器自动校验仪的操作指示面板布置图。

图5为外接的阻抗测试回路接线图。

图6为数字衰减器电原理图。

图7为测量电流互感器的接线图。

信号矢量关系如图1所示。在互感器测试时，为被测互感器的二次回路信号，

为标准互感器的二次回路信号，△为差动回路的误差信号，α为误差角，△为△

的正交分量，△

为△

的同相分量。在其它功能测试中，

为工作信号，△为小信号，α为小信号相对于工作信号的相位角。

互感器自动校验仪的原理框图如图2所示。微机系统[1]通过多个可编程I/O接口与输入多路器[3]、增益调整系统[5]、输出多路器[6]、S/H-A/D变换器[7]及操作指示面板[10]连接，微机按测量程序通过控制线和数据线实现控制及数据传送。

下面结合附图3详细说明依据本发明提出的具体校验仪的电路细节及工作情况。本实施例还有下列特点：

（1）输入信号变换回路[2]设有三个独立的小电流信号输入接线端（L、M、H）和一个小电压信号接线端（Ku）。测试阻抗时，外部需配接两只电流互感器CT_o和CT₁，CT_o的一次回路与CT₁的二次回路及被测电阻器R_x相串联，组成阻抗测试回路。

三个小电流信号输入接线端H（高）、M（中）、L（低）分别对应5^μA〉～10^mA、50^μA～100^mA、500^μA～1^A三档输入电流范围，当被测电流互感器为0.05%～0.5%级时使用M接线端，0.01%～0.05%级使用H接线端，0.5%～3%级使用L接线端，在测量过程中若电流信号过大或过小，微机自动控制数显器提示换档或调整工作信号。小电压信号输入接线端Ku内部设置两档分压线路，由微机控制实现量程自动转换。测量阻抗时，外部配接的两只电流互感器，其中CT_o需精度在0.1级以上的标准互感器，CT₁精度不作要求，接线如图5所示。电流互感器CT_o的引入，使工作电流回路和小电流回路得到隔离，消除引线影响，保证测量准确度。

（2）操作指示面板[10]设置了“RESET”键、“＊”键、“级次”键、“I_N/U_N”键、“打印”键、及多组发光二极管指示器组和微型打印机。指示器组如下：

A.四档额定工作电流I_N（A）设定指示器组：“5”、“2”、“1”、“0.5”;

B.四档额定工作电压U_N（V）设定指示器组：“150”、“100”“”、“100/3”;

C.四种输入信号指示器组：

;

D.“等待”、“极性”、“超差”、“合格”指示器组;

E.八种级次设定指示器组：“0.01”、“0.02”、“0.05”、“0.1”、“0.2”、“0.5”、“1”、“3”（%级）;

F.正交分量和同相分量各设两个千分号指示器组：“‰”、“‰”。

操作指示面板[10]如图4所示布置操作键和指示器。“RESET”键为整机冷启动键。“级次”键为级次设定键，按下此键不放，八个级次设定指示灯作循环右移指示，当所需设定的级次指示灯亮时，放开此键，即实现了级次设定。“I_N/U_N”键为工作信号额定值设定键，当工作信号为

（或）时，按下此键，I_N（或U_N）的四档设定指示灯循环右移指示，同样可设定所需额定值，开机或按“RESET”键，工作信号额定值自动设定：I_N为5A或U_N为100V。“＊”键为有效值工作方式设定键，开机或按“RESET”键后奇数次按此键，同相分量/有效值数显器的符号位置示“＊”号，校验仪进入有效值工作方式，该数显器显示有效值即（在互感器测量时即为综合误差λ），正交分量数显器显示CoSα值，偶数次按此键，则恢复直角坐标系工作方式，开机或按“RESET”键，自动设定在直角坐标系工作方式，三个数显器均显示三位有效数字。当有工作信号输入时，按一次“打印”键，即打印一次测量结果（4～6位数字），按住此键，则连续打印依次测量的结果，直至释放此键。若已设定级次，打印机和数显器均给出化整后的实测结果，否则只给出实测结果。二位千分号指示位扩大了数字显示范围，一位“‰”燃亮表示×10^-3，二位“‰”燃亮表示×10^-6打印机打印的测试对象的类别（“代号”）有电压互感器“PT”、电流互感器“AT”、阻抗“RT”、导纳“GT”、小电流“DT”、小电压“MT”。打印数值范围：额定工作点百分表值P%为999.9×10^-2～1×10^-4、同相分量R%有效值△%及正交分量D%（弧度）/功率因数K%均为999.9×10^-2～1×10^-9，正交分量DM（分）为999.9～1×10^-7在测试过程中自动完成极性检查，机内设定极性出错阈值，“极性”指示灯亮和音响报警表示被测互感器极性接错。根据设定的级次，微机自动地对被测互感器实现级次判定，通过“合格”或“超差”指示灯给出相应的判定结果。

图3所示实施例的输入信号变换回路[2]另有四个输入接线端：T_x、X为接地端，T_o为工作电流信号输入接线端，a为工作电压信号输入接线端;七个输出端分别接到输入多路器[3]相应的输入端。输入多路器为数字集成电路，3根选择控制线受微机系统[1]的控制，选择相应的输入通路，其输出接到增益调整系统[5]。增益调整系统由放大器[12A]、数字衰减器[13A]、放大器[12B]、数字减衰器[13B]、放大器[12C]和带通滤波器[14A]级联组成，三级放大器的放大量分别为20、50、50（允许有20%的误差）。数字衰减器[13]如图6所示，由8个电阻器（R₁₃～R₂₀）和一个8输入模拟多路器[17]构成，3根选择控制线受微机系统[1]的控制，选择相应的输入通路，实现8档衰减（每档6^db），允许衰减42^db，两级数字衰减器总衰减量设定在66^db动态范围内变化。带通滤波器[14A]为47^HZ～62^HZ的有源带通滤波器，並设有二次谐波的陷波器，增益调整系统[5]的输出接到输出多路器[6]。输出多路器亦采用集成电路，其输出送到S/H-A/D变换器[7]，A/D变换器字长为12^bit位，U_AD为±2.5伏。采样脉冲形成电路[8]为数字集成电路，采样频率在3.5～4^KHZ，其输出采样脉冲送S/H-A/D变换器[7]。A/D变换器[7]的输出经12条数据线和1条中断控制线送八位微机系统[1]。自动校正系统[4]包括参考信号产生电路[11]、输入多路器[3]、增益调整系统[5]、输出多路器[6]、S/H-A/D变换器[7]，参考信号产生电路[11]由工频信号源[15]即从电源变压器的绕组取出工频信号，经模拟集成电路构成的放大器[12D]和波形变换器[16]即限幅放大器，接到带通滤波器[14B]（同[14A]），其输出分二路，一路为u_R直接送输出多路器[6]相应输入端，另一路经R₁₁和R₁₂分压接到输入多路器[3]的第八个输入端，电源[9]为全机提供低压直流稳压电源。操作指示面板[10]通过19条控制线和数据线与微机系统[1]相应的I/O接口相连。

下面以测量电流互感器参数（测量范围：0.01～3级）为例详述本实施例的工作情况，接线如图7所示。被测电流互感器CT_x的一次回路和标准电流互感器CT_o的一次回路串联接到调压变压器的输出端，CT_x和CT_o的二次回路同名端对接后接到校验仪K_I之相应输入接线端（H或M或L，视被测互感器的级次），Z_n为CT_x外接的负荷，CT_o的二次回路另一端接到T_o端。开机后，微机自动判定输入信号，“等待”指示灯燃亮，由T_o端和a端判定工作信号，由H、M、L端和K_u端判定小信号，当检测到工作信号

和差动信号△时，“等待”指示灯灭，输入信号指示灯“

”和“△”及额定值工作电流T_N之“5”指示灯燃亮，微机进入测量循环，每一秒钟动态校正增益调整系统[5]的放大量G。取自电源变压器绕组的工频信号（5～7伏）经放大器[12D]放大30～50倍（不作严格要求），送波形变换器[16]限幅放大为幅度为1.5伏的方波，经带通滤波器[14B]滤波为幅度稳定的50～60HZ工频信号，微机[1]控制输入多路器[3]选择参考信号（u_R×C）输入，经增益调整系统[5]三级放大器放大G倍和两级数字衰减器衰减K倍，同时微机控制打开输出多路器[6]相应的通道，分时将参考信号u_R和经增益调整的信号（u′_R＝u_R·C·G·K）送S/H-A/D变换器[7]，测定u_R和u′_R幅值，计算出增益调整系统的放大量G。接着微机控制测量工作信号

，选择输入多路器[3]和输出多路器[6]相应的通道，对送入增益调整系统的工作信号

作增益调整，经S/H-A/D变换输出，微机确定工作信号幅值I₂₀和最接近过零点的值I′₂₀。根据设定的工作信号额定值I_N计算工作信号百分表值P%，并显示在U_o/U_N（I_o/I_N）数显器上。然后微机控制打开输入多路器[3]和输出多路器[6]相应通道，对差动信号△

进行同样的测量，测定差动信号幅值△I和最接近过零点的值△I′，微机根据△I′和I′₂₀计算出采样脉冲的相位间隔△α及差动信号△

与工作信号

之间的相位差α（即电流互感器测量的误差角），计算出：

同相分量数显器和正交分量数显器分别显示f和δ值，按“＊”键，则分别显示λ和CoSα值。微机系统[1]根据人工设定的“级次”自动判定化整后比差f和角差δ是否均符合该级电流互感器的规定值，符合燃亮“合格”指示灯，不合格则燃亮“超差”指示灯。若出现比差f≥100%，则燃亮“极性”指示灯，如同时出现△S大于极性出错的报警阈值，则发出声报警。

在对工作信号

和差动信号△

的测试过程中，若增益调整系统[5]输出的信号幅值≥2.5伏时，同相分量和正交分量两数显器均显示“999”，並发出声报警，提示应减小工作信号，或换用低档测试（差动信号△过大时），若信号幅值＜1.25伏时，两数显器均显示“111”，提示应加大工作信号、或换用高档测试（当差动信号△

过小时）。

至此一次测量循环便执行完毕，按“打印”键，立即打印测量结果。开机或“RESET”键作用后的第一次测量循环的打印，在测量数据前印出：

测试功能类型

额定工作点

测试档（H或M或L）

打印数据有以下三类：

（一）××××DM（表示角差××××分）

××××××R%（表示比差××××××%）

××××P%（表示百分表）

（二）××××××D%（表示正交分量××××××%弧度）

××××××R%（表示同相分量××××××%）

××××P%（表示百分表）

（三）××××××△%（表示有效值）

××××××K%（表示CoSα）

××××P%（表示百分表）

这里“×”号表示一个有效位，小数点是浮动的。

同上所述，本校验仪可测量电压互感器（测量范围：0.01～3级）、阻抗（2×10^-5～5Ω）、导纳（5×10^-8～2×10^-2 ）、小电流（1×10^-5～1A）、小电压（1×10^-4～20^V）大电流（2.5×10^-2～6^A）及大电压（1～400^V）。

Claims (11)

1、一种采用非平衡差动测量法的互感器自动校验仪，由输入回路（2）、输入多路器（3）、自校系统（4）、采样脉冲形成电路（8）、S/H-A/D变换器（7）、微机系统（1）、电源（9）和操作指示面板（10）组成，其特征在于设置增益调整系统（5）和输出多路器（6），S/H-A/D变换器（7）为等间隔密采样的S/H-A/D变换，在微机控制下复用输入多路器（3）、增益调整系统（5）、S/H-A/D变换器（7）、采样脉冲形成电路（8）和输出多路器（6），对小信号△、工作信号

20及增益调整系统的放大量实现分时测量，用最接近幅值点的和最接近过零点的密采样值确定信号幅值和信号瞬时相位，解算出小信号△

和工作信号20之间的相位差α、同相分量△S_f、正交分量△S_δ及额定工作点的百分表值P%，角差δ采用精确算式：（弧度）

2、根据权利要求1所述的校验仪，其特征在于增益调整系统（5）由多级放大器（12）和数字衰减器（13）及带通滤波器（14A）组成。

3、根据权利要求1所述的校验仪，其特征在于自校系统（4）是包括参考信号产生电路（11）、输入多路器（3）、增益调整系统（5）和输出多路器（6）的放大量动态自动校正系统，参考信号产生电路（11）由工频信号源（15）、放大器（12D）、波形变换电路（16）和带通滤波器（14B）组成。

4、根据权利要求1、2或3所述的校验仪，其特征在于输入回路为输入信号变换回路（2）设置三个独立的小电流信号输入接线端L、M、H和一个小电压信号输入接线端Ku;测试阻抗时，外部配接两只电流互感器CT₀和CT₁，CT₀的一次回路与CT₁的二次回路及一个被测电阻器R_X串联组成阻抗测试回路。

5、根据权利要求1、2或3所述的校验仪，其特征在于操作指示面板（10）设置“RESET”键、“＊”键、“级次”键、“I_N/U_N”键、“打印”键、微型打印机及多组发光二极管指示器组，发光二极管指示器组为：

（1）四档额定工作电流I_N（A）设定指示器组：“5”、“2”、“1”、“0.5”;

（2）四档额定工作电压U_N（V）设定指示器组：“150”、“100”、“”、“100/3”;

（3）四种输入信号指示器组：

;

（4）“等待”、“极性”、“超差”、“合格”指示器组;

（5）八种级次设定指示器组：“0.01”、“0.02”、“0.05”、“0.1”、“0.2”、“0.5”、“1”、“3”（%级）;

（6）正交分量和同相分量各设两个千分号指示器组：“‰”、“‰”。

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