CN101614766A - 一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：包括用于连接在高压臂压缩气体标准电容器、低压臂云母电容器之间的双屏蔽同轴电缆以及误差消除电路；所述误差消除电路包括双差分放大器电路、信号跟随电路、输出偏置调节电路，所述双差分电路的低压信号输入端连接双屏蔽同轴电缆的内屏蔽层，所述双差分电路的测量信号输入端连接双屏蔽同轴电缆的芯线，所述双差分电路的两输出端分别对应连接信号跟随电路的反相、同相信号输入端，信号跟随电路的同相输入端还连接输出偏置调节电路的信号输出端，信号跟随电路的输出端用于连接测量仪器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，尤其涉及一种用于消除高压标准电容分压器电压测量中电缆分布电容所造成的测量误差的电路。
背景技术
目前，用于高电压精确测量的电容分压器中，由压缩气体标准电容器作为分压器高压臂C1、高稳定度云母电容器C2作为分压器低压臂，具有结构简单、灵敏度高、温度稳定性好、适应性强，动态性能好等一系列优点，图1所示为其结构示意图，高压臂压缩气体标准电容器C1、低压臂云母电容器C2、参考电容器C3串接在高压线与地之间；但由于压缩气体标准电容器C1的初始电容量很小，一般在几十皮法，而连接高压臂与低压臂的电缆10本身所具备的分布电容却较大，同轴电缆的分布电容可达几十至几百皮法每米，分布电容的存在不仅改变了分压器的分压比，而且这些电容是随外界温度、摆放形状等环境因素变化的，分布电容量的变化量直接影响测量精度，所以必须设法消除寄生电容对电容分压器的影响。
在传统的电容式传感器测量回路中，通常都会遇到分布电容、寄生电容对测量产生影响的问题，已有的对消除电容式传感器寄生电容，可以采用“驱动电缆”技术，减小寄生电容，“驱动电缆”技术的原理如图2所示，在传感器(图中未显示)之后采用双层屏蔽电缆(包括双屏蔽同轴电缆芯线1、内屏蔽层2、外屏蔽线3)，并接入增益为1的驱动放大器U1，这种接法可使得内屏蔽层2与芯线1等电位，进而消除了芯线1对内屏蔽层2的容性漏电，克服了寄生电容的影响，图2中所示的电容Cx指的是测量用电容传感器，电容传感器由于受几何尺寸的限制，其容量都是很小的，一般仅几个皮法到几十皮法，因容量太小，故容抗XC＝1/ωc很大，为高阻抗元件，所以，驱动放大器U1可以看成是一个输入阻抗很高，且具有容性负载，放大倍数为1的同相放大器。
另外，采用集成法也是消除电容传感器寄生电容干扰的一种有效方法。这种方法就是将传感器与电子线路的前置级一同封装在一个壳体内，省去传感器到前置放大级的电缆，这样，寄生电容就可大大减小而且保持固定不变，使仪器处于稳定工作状态。但是这种做法因为电子元器件的存在而不能在相对高温或环境恶劣的地方正常使用。也可利用集成工艺，把传感器和调理电路集成于同一芯片，构成集成电容传感器。
上述的方法都是针对100KV以下低电压的电容式传感器测量而设计的，例如平板式位移传感器，其特点在于测量电压低，测量用电容式传感器体积小，传输电缆长度短，而用于高电压精确测量的电容分压器中，其测量电压高达120kV，作为分压器高压臂的标准电容器体积较大(高2000mm，直径500mm)，传输电缆长度达10米以上，所以，上述方法不能直接应用于100KV以上高电压精确测量的电容分压器中。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于消除100kV以上高压标准电容分压器电压测量误差的电路。
一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：包括用于连接在高压臂压缩气体标准电容器、低压臂云母电容器之间的双屏蔽同轴电缆以及误差消除电路；所述误差消除电路包括双差分放大器电路、信号驱动电路、信号跟随电路、输出偏置调节电路，所述双差分电路的测量信号输入端连接低压臂电容器的两端，所述双差分电路的两输出端分别对应连接信号跟随电路的反相、同相信号输入端，信号跟随电路的同相输入端还连接输出偏置调节电路的信号输出端，信号跟随电路的输出端用于连接测量仪器的信号输入端；信号驱动电路的两输入端分别对应连接所述双差分电路的两输出端，信号驱动电路的输出端用于连接双屏蔽电缆内屏蔽层。
所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：所述双差分电路包括第一、第二运算放大器，第一、第二运算放大器的反馈电阻的反馈信号输出端之间串接有一差分增益调整电阻，构成差分增益调整电路；第一、第二运算放大器的同、反相输入端之间均连接有一用于保护的TVS管；第一运算放大器的同相输入端连接低压臂电容器的高电压端，第二运算放大器的同相输入端连接低压臂电容器的低电压端。
所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：所述的输出偏置调节电路包括直流电源、第四运算放大器，第四运算放大器的同相信号输入端通过第一电位器的动触点连接于直流电源，第四运算放大器的输出端与其反相信号输入端连接构成的反馈输出端连接于双差分电路的第二运算放大器输出端与信号跟随电路的同相信号输入端之间。
所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：所述的信号跟随电路包括第三运算放大器，第三运算放大器的反相信号输入端连接于双差分电路中第一运算放大器的输出端，第三运算放大器的同相信号输入端一路连接于双差分电路中第二运算放大器的输出端，第三运算放大器同相信号输入端的另一路连接于所述输出偏置调节电路中第四运算放大器的反馈输出端；第三运算放大器的输出端通过一反馈电阻连接第三运算放大器的反相信号输入端，第三运算放大器的输出端用于连接测量仪器的信号输入端。
所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，所述的信号驱动电路包括第五运算放大器，该第五运算放大器同相信号输入端的第一路通过第一分压电阻连接所述双差分电路中第一运算放大器的输出端，该第五运算放大器同相信号输入端的第二路通过第二分压电阻连接所述双差分电路中第二运算放大器的输出端，第五运算放大器反相信号输入端连接第二电位器的动触点，第二电位器的第一静触点连接第五运算放大器的输出端，第二电位器的第二静触点接地；第五运算放大器的输出端用于连接双屏蔽电缆内屏蔽层。
本发明采用上述技术方案将达到如下的技术效果：
本发明的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，先由双差分电路和信号驱动电路对低压臂电容器两端的电压信号进行1∶1放大，使信号驱动电路的输出电位与低压臂电容器高压端电位同幅值同相位，并将信号驱动电路的输出连接至双屏蔽电缆的内屏蔽层，此时双屏蔽电缆的芯线和内屏蔽层的电位同幅值同相位，因此，存在于双屏蔽电缆内屏蔽层和芯线之间的分布电容两端将无电位差，因而也无分流；由于分布电容中无电流通过，从而不会产生压降，此分布电容将不再对分压器的分压比产生影响。双层屏蔽电缆的外层屏蔽接地，使内部传输的信号不受外部干扰的影响；输出偏置调节电路用于将双差分电路的输出信号中的直流偏置电压消除后送入信号跟随电路中进行反相放大处理，最后信号跟随电路的输出信号送至测量仪器进行测量；所述双差分电路中第一、第二运算放大器采用仪表放大器的结构，对信号处理更加精密、精确。综上，本发明电路结构简单，能够有效避免双屏蔽电缆芯线与内屏蔽层之间的分布电容、寄生电容对后续电路处理信号的影响，并消除了双差分电路输出的直流偏置电压，从而实现了对高压标准电容分压器电压测量误差的消除处理，既能保证低压臂分压信号不受测量回路输入阻抗的影响，又能消除高低压臂之间的连接电缆的分布电容的影响。
附图说明
图1为高压标准电容分压器的结构图；
图2为现有技术中用于消除图1所示高压标准电容分压器寄生电容所产生误差的“驱动电缆技术”的电路原理图；
图3为本发明的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路原理图；
图4为使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后与未使用图3所示电路测量后的测量比差的对比图；
图5为使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后与未使用图3所示电路测量后的测量角差的对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其中：包括用于连接在高压臂压缩气体标准电容器C1、低压臂云母电容器C2之间的双屏蔽同轴电缆以及误差消除电路；用于100KV以上高压的高压标准电容分压器的结构也如图1所示，该高压标准电容分压器中，高压臂压缩气体标准电容器C1、低压臂云母电容器C2、参考电容器C3串接在高压线与地之间，高压臂压缩气体标准电容器C1与低压臂云母电容器C2之间的电缆为双屏蔽同轴电缆10；所述误差消除电路包括双差分放大器电路、信号跟随电路、信号驱动电路、输出偏置调节电路，所述双差分电路的测量信号输入端用于连接高压标准电容分压器中的低压臂电容器C2的两端，所述双差分电路的两输出端分别对应连接信号跟随电路的反相、同相信号输入端，信号跟随电路的同相输入端还连接输出偏置调节电路的信号输出端，信号跟随电路的输出端用于连接测量仪器的信号输入端；信号驱动电路的两输入端分别对应连接所述双差分电路的两输出端，信号驱动电路的输出端用于连接双屏蔽电缆10的内屏蔽层。
所述双差分电路包括第一、第二运算放大器A1、A2，第一、第二运算放大器A1、A2的反馈电阻R5、R6的反馈信号输出端之间串接有一差分增益调整电阻RG，构成差分增益调整电路；第一、第二运算放大器A1、A2的同、反相输入端之间均连接有一用于保护的TVS管(TVS管的中文全称是瞬态电压抑制器)，用于防止雷击或其它浪涌电压；第一运算放大器A1的同相输入端通过分压电阻R1连接双屏蔽同轴电缆10的内屏蔽层，第二运算放大器A2的同相输入端通过分压电阻R4连接双屏蔽同轴电缆10的芯线。该双差分电路的连接构成是根据仪用放大器的结构设计的，处理精度更高，有效消除双屏蔽同轴电缆10上的寄生电容、分布电容所造成的信号电压波动的影响。
所述的输出偏置调节电路包括±15V直流电源、第四运算放大器A4，第四运算放大器A4的同相信号输入端通过电阻R11连接第一电位器R13的动触点，第一电位器R13的两个静触点分别对应连接±15V直流电源，第四运算放大器A4的输出端与其反相信号输入端连接构成的反馈输出端连接于双差分电路的第二运算放大器A2输出端与信号跟随电路的同相信号输入端之间。
所述的信号跟随电路包括第三运算放大器A3，第三运算放大器A3的反相信号输入端通过分压电阻R7连接双差分电路中第一运算放大器A1的输出端(第一运算放大器A1的输出端输出信号电压标示为Vout1)，第三运算放大器A3的同相信号输入端一路通过电阻R8连接双差分电路中第二运算放大器A2的输出端(第二运算放大器A2的输出端输出信号电压标示为Vout2)，第三运算放大器A3同相信号输入端的另一路通过分压电阻R10连接于所述输出偏置调节电路中第四运算放大器A4的反馈输出端；第三运算放大器A3的输出端通过一反馈电阻R9连接第三运算放大器A3的反相信号输入端，第三运算放大器A3的输出端用于连接测量仪器的信号输入端。
所述的信号驱动电路包括第五运算放大器A5，该第五运算放大器A5同相信号输入端的第一路通过分压电阻R14连接所述双差分电路中第一运算放大器A1的输出端，该第五运算放大器A5同相信号输入端的第二路通过分压电阻R15连接所述双差分电路中第二运算放大器A2的输出端，第五运算放大器A5反相信号输入端通过分压电阻R16连接第二电位器R17的动触点，第二电位器R17的第一静触点连接第五运算放大器A5的输出端，第二电位器R17的第二静触点接地；第五运算放大器A5的输出端用于连接双屏蔽电缆内屏蔽层。
本发明的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，先由双差分电路和信号驱动电路对低压臂电容器两端的电压信号进行1∶1放大，使信号驱动电路的输出电位与低压臂电容器高压端电位同幅值同相位，并将信号驱动电路的输出连接至双屏蔽电缆的内屏蔽层，此时双屏蔽电缆的芯线和内屏蔽层的电位同幅值同相位，因此，存在于双屏蔽电缆内屏蔽层和芯线之间的分布电容两端将无电位差，因而也无分流；由于分布电容中无电流通过，从而不会产生压降，此分布电容将不再对分压器的分压比产生影响。双层屏蔽电缆的外层屏蔽接地，使内部传输的信号不受外部干扰的影响；输出偏置调节电路用于将双差分电路的输出信号中的直流偏置电压消除后送入信号跟随电路中进行反相放大处理，最后信号跟随电路的输出信号送至测量仪器进行测量。
双差分电路中，由于两放大器A1、A2求和点的电压等于施加在各自同相输入端的电压，因此，整个差分输入电压都施加在增益调整电阻RG的两端。因为输入电压Vin1、Vin2分别经过放大器A1、A2放大后的差分电压Vout1、Vout2呈现在反馈电阻R5、R6和增益调整电阻RG上，所以差分增益可以通过仅改变电阻RG进行调整。如果电阻R5的阻值＝电阻R6的阻值，电阻R7的阻值＝电阻R8的阻值，电阻R9的阻值＝电阻R10的阻值，则本实施例用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路的输出电压Vout＝(Vin2-Vin1)(1+2R5/RG)(R9/R7)+Vcom，Vcom为靠改变电位器R13的动触点的位置而改变的参考电压，用以消除输出电压Vout中的直流偏置电压。
在电阻RG趋近无穷大时，且电阻R9的阻值＝电阻R7的阻值时，电压Vout1的值＝电压Vin1的值，电压Vout2的值＝电压Vin2的值，电压Vout的值＝电压Vin2的值-电压Vin1的值。此时，第五运算放大器A5的输入信号为电压Vin2的值-电压Vin1的值，通过调节电位器R17动触点的位置，可调整第五运算放大器A5回路的放大倍数为1，即第五运算放大器A5的输出电压Vdrv＝电压Vin2的值-电压Vin1的值，因此可以说双屏蔽电缆的芯线和内屏蔽层的电位同幅值同相位。
图4为使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量比差曲线7与未使用图3所示电路测量后的测量比差曲线8的对比图(测量比差指的是被测量的量与标准值的幅值误差，测量比差越接近零代表误差越小，测量比差在不同的测量电压点变化幅度很大代表稳定度不好)，从图中可见，同一测量电压点上，使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量比差值基本上都比未使用图3所示电路测量后的测量比差值更小，基本上都低于0.1％，并且，在不同的测量电压点上，使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量比差值变化不大，而未使用图3所示电路测量后的测量比差值变化副度非常大。
图5为使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量角差曲线10与未使用图3所示电路测量后的测量角差曲线9的对比图(测量角差指的是被测量的量与标准值的相位误差，测量角差接近零代表误差越小，测量角差为负值并有幅度变化代表稳定度不好)，由图中可见，同一测量电压点上，使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量角差值接近于零，未使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量角差值为负值；在不同的测量电压点上，使用图3所示消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路测量后的测量比差值变化不大，各点测量角差值的连线接近于一水平直线，而未使用图3所示电路测量后的测量比差值均为绝对值比较大的负值，且各点测量角差值的连线为幅度变化较大的锯齿状波浪线。
从试验结果可明显看出，本发明提出的消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路能有效抑制屏蔽电缆杂散电容量对系统测量精度造成的影响，而且，由于电缆分布电容不再对测量产生影响，其受温度、摆放位置等引起的电缆分布电容的变化量也不会对测量精度产生影响，这将大大提高高压测量技术的测量精度。
Claims (5)
1、一种用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其特征在于：包括用于连接在高压臂压缩气体标准电容器、低压臂云母电容器之间的双屏蔽同轴电缆以及误差消除电路；所述误差消除电路包括双差分放大器电路、信号驱动电路、信号跟随电路、输出偏置调节电路，所述双差分电路的测量信号输入端连接低压臂电容器的两端，所述双差分电路的两输出端分别对应连接信号跟随电路的反相、同相信号输入端，信号跟随电路的同相输入端还连接输出偏置调节电路的信号输出端，信号跟随电路的输出端用于连接测量仪器的信号输入端；信号驱动电路的两输入端一一对应于连接所述双差分电路的两输出端，信号驱动电路的输出端用于连接双屏蔽电缆内屏蔽层。
2、如权利要求1所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其特征在于：所述双差分电路包括第一、第二运算放大器，第一、第二运算放大器的反馈电阻的反馈信号输出端之间串接有一差分增益调整电阻，构成差分增益调整电路；第一、第二运算放大器的同、反相输入端之间均连接有一用于保护的TVS管；第一运算放大器的同相输入端连接低压臂电容器的高电压端，第二运算放大器的同相输入端连接低压臂电容器的低电压端。
3、如权利要求2所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其特征在于：所述的输出偏置调节电路包括直流电源、第四运算放大器，第四运算放大器的同相信号输入端通过第一电位器的动触点连接于直流电源，第四运算放大器的输出端与其反相信号输入端连接构成的反馈输出端连接于双差分电路的第二运算放大器输出端与信号跟随电路的同相信号输入端之间。
4、如权利要求3所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，其特征在于：所述的信号跟随电路包括第三运算放大器，第三运算放大器的反相信号输入端连接于双差分电路中第一运算放大器的输出端，第三运算放大器的同相信号输入端一路连接于双差分电路中第二运算放大器的输出端，第三运算放大器同相信号输入端的另一路连接于所述输出偏置调节电路中第四运算放大器的反馈输出端；第三运算放大器的输出端通过一反馈电阻连接第三运算放大器的反相信号输入端，第三运算放大器的输出端用于连接测量仪器的信号输入端。
5、如权利要求1至4所述的用于消除高压标准电容分压器电压测量误差的电路，所述的信号驱动电路包括第五运算放大器，该第五运算放大器同相信号输入端的第一路通过第一分压电阻连接所述双差分电路中第一运算放大器的输出端，该第五运算放大器同相信号输入端的第二路通过第二分压电阻连接所述双差分电路中第二运算放大器的输出端，第五运算放大器反相信号输入端连接第二电位器的动触点，第二电位器的第一静触点连接第五运算放大器的输出端，第二电位器的第二静触点接地；第五运算放大器的输出端用于连接双屏蔽电缆内屏蔽层。
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