CN101872006A - 带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，它包括基波用铁芯、谐波用铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、短路限流电阻和误差补偿电路。本发明能产生电子式电压互感器准确度误差校验用的周期性非正弦波一次试验电压，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电压成线性比例关系的二次标准参考电压，它克服了电子式电压互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波准确度误差校验的局限性，解决了周期性非正弦波条件下对电子式电压互感器基波和谐波准确度同时进行校验时对一次试验电压及基准的需求问题，使电子式电压互感器的非线性现象得到校验。

Description

带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种互感器校验用基准，具体地说是一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准。

背景技术

电子式电压互感器是一种电压传感器，它是传统电磁式电压互感器更新换代的产品，主要用于电网电能计量及安全保护。传统电磁式电压互感器测量频带较窄，它采用铁芯线圈进行一次电压的传感，其二次端额定输出为100V或

的电压标准值。电子式电压互感器具有测量频带宽、功耗低等特点，它主要采用光学装置、电阻分压器及电容分压器等进行一次电压的传感，并装有电子器件用于传感信号的传输和放大，其二次端口具有电压模拟量输出或数字量输出两种形式。准确度是电子式电压互感器最重要的技术指标，在规定的使用条件下，电子式电压互感器的误差必须在给定的准确度等级所规定的限值内。1999年国际电工委员会首次发布了电子式电压互感器国际标准IEC60044-7，在此基础上，我国于2007年首次制定并发布了电子式电压互感器国家标准GB/T20840.7，这些标准对电子式电压互感器的基波准确度提出了要求。电子式电压互感器国家标准GB/T20840.7指出有关数字量输出型电子式电压互感器的技术信息可参见2007年首次制定并发布的电子式电流互感器国家标准GB/T20840.8的相关内容，而标准GB/T20840.8同时也给出了电子式电流互感器及电子式电压互感器谐波准确度的要求。在校验电子式电压互感器准确度误差的试验电路中，对基准和被校验电子式电压互感器一次端口施加相同的一次试验电压，通过比较基准二次端口输出的二次标准参考电压和被校验电子式电压互感器的二次输出量，就可以计算出被校验电子式电压互感器的准确度误差。

对电子式电压互感器准确度误差的试验，目前采用单一频率的一次电压分别进行基波和谐波准确度的校验，但是这和电子式电压互感器实际应用时电网电压的真实情况不符。理想情况下进行试验时，应在额定频率及额定一次电压上叠加所要求的各谐波频率分量，该分量为额定一次电压的某个百分数，这样的一次电压更接近波形畸变真实的情况，从而使电子式电压互感器可能发生的非线性现象得到良好的反映和校验，此时电子式电压互感器的基波和谐波准确度可以同时进行校验。但是如果在一次电压波形畸变的条件下进行试验，则需要基准同时具有较高的基波及谐波准确度，并且试验时还需要产生波形畸变的稳态一次试验电压。现在电子式电压互感器准确度试验用的基准主要采用传统电压互感器的基准，传统电压互感器的基准包括标准电压互感器、双级电压互感器、感应分压器等电压比例标准器，而试验所用的一次试验电压则是通过具有单独变压器结构的升压器或带升压器的电压互感器基准产生，但是这些基准及升压器都是在正弦波条件下进行设计并使用的。实际上由于传统电压互感器的计量检定规程中没有谐波准确度的要求，这些基准及升压器在设计时通常不考虑波形畸变的工作条件。此外，即使在正弦波条件下，传统电压互感器基准作为电子式电压互感器基准也存在问题。为了采用差值校验法校验传统电压互感器的准确度误差，传统电压互感器基准的二次输出与传统电压互感器二次输出相同，其额定指通常为100V或

的电压标准参考量，而电子式电压互感器输出的是几伏的电压模拟量或数字量，因此校验时需要高准确度的分压器以调整传统电压互感器基准的输出电压以便数字采样。由于畸变波升压器的输出端直接接基准的一次端，即升压器的输出电压和基准一次试验电压相同，因此可以考虑将畸变波升压器和基准合二为一，但是目前这样的设备未见有专利或文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，提出一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，在对具有电压模拟量输出或数字量输出的电子式电压互感器基波及谐波准确度进行校验时，它能输出周期性非正弦波一次试验电压并同时能提供与该一次试验电压成线性比例关系的二次标准参考电压。

本发明的技术方案：一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，它包括基波用铁芯、谐波用铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、短路限流电阻和误差补偿电路；所述的误差补偿电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；一次线圈既作为升压器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；基波用铁芯和谐波用铁芯均为闭环铁芯；所述的基波供电线圈均匀地绕制在基波用铁芯上，所述的谐波供电线圈均匀地绕制在谐波用铁芯上，所述的二次线圈同时绕制在基波用铁芯和谐波用铁芯上，所述的一次线圈同时均匀地绕制在基波用铁芯和谐波用铁芯上；误差补偿电路中的第一运算放大器的反相输入端和输出端通过第一电阻相连，第一运算放大器的输出端通过第二电阻与第二运算放大器的反相输入端相连，第一运算放大器的输出端通过第六电阻接地，第一运算放大器的同相输入端接地；第二运算放大器的反相输入端和输出端通过第三电阻相连，第二运算放大器的输出端与第三运算放大器的同相输入端直接相连，第二运算放大器的同相输入端接地；第三运算放大器的反相输入端通过一个并联电容的第四电阻接地，同时第三运算放大器的反相输入端和输出端通过第五电阻相连；第三运算放大器的输出端与一次线圈的非同名端相连，一次线圈的同名端和第一运算放大器的反相输入端构成升压器的输出端口，该端口也是基准的一次端口；二次线圈的同名端与短路限流电阻的一端相连；短路限流电阻的另一端和二次线圈的非同名端构成基准的二次端口。

本发明的基波供电线圈由外部基波电压源提供频率固定、幅值及初相角可调的基波电压，谐波供电线圈由外部谐波电压源提供频率、幅值及初相角可调的单次谐波电压；升压器的输出端口，也就是基准一次端口的一次试验电压为基波供电线圈提供的基波电压和谐波供电线圈提供的单次谐波电压的线性组合，基准的一次试验电压和基准的二次端口输出的二次标准参考电压之间准确转换；一次试验电压的基波电压和单次谐波电压的频率、幅值和初相角都通过外部基波电压源和外部谐波电压源进行选择和调节，通过检测基准输出的二次标准参考电压，可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；当基波电压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，可以实现以基波为参变量进行电子式电压互感器准确度误差频率响应的测试。

本发明升压器输出的一次试验电压基波额定电压方均根值可达1KV，单次谐波额定电压的方均根值为基波额定电压方均根值的1/10，额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为100Hz至650Hz或120Hz至780Hz，基波和单次谐波电压的初相角为任意值；基准二次标准参考电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为4V和0.4V；基准二次输出额定负荷为20MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10；升压器容量可达0.5KVA，额定基波供电电压的方均根值为250V，额定谐波供电电压的方均根值为25V。

本发明与现有技术相比的特点和技术效果：

(1)本发明的特点在于该装置能产生电子式电压互感器准确度误差校验用的周期性非正弦波一次试验电压，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电压成线性比例关系的二次标准参考电压，它克服了电子式电压互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波准确度误差校验的局限性，解决了周期性非正弦波条件下对电子式电压互感器基波和谐波准确度同时进行校验时对一次试验电压及基准的需求问题，使电子式电压互感器的非线性现象得到校验；(2)本发明产生的周期性非正弦波一次试验电压由基波电压和单次谐波电压合成，基波电压和单次谐波电压的频率、幅值和初相角都可以通过外部基波电压源和外部谐波电压源进行选择和调节，通过检测基准输出的二次标准参考电压可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；基波电压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，可以实现以基波为参变量进行电子式电压互感器准确度误差频率响应的测试；(3)本发明通过在所述一次线圈非同名端串联误差补偿电路的方法，抵消由一次线圈电阻及漏抗带来的误差，提高基准的电压传感转换精度；(4)本发明所述的基准二次输出额定负荷为20MΩ，在校验0.1级电子式电压互感器准确度误差时，可以忽略短路限流电阻、二次线圈电阻及漏抗带来的误差；(5)本发明所述二次标准参考电压的基波和单次谐波电压额定值可以设计在几百微伏到几伏范围内，方便直接采样；(6)本发明所述二次线圈同名端串接一个短路限流电阻，消除了传统电压互感器基准二次端口不能短路的弊端；(7)本发明所述的作为升压器输出端子的第一运算放大器的反相输入端接近地电位，同时它通过电阻可靠接地。

附图说明

图1为本发明带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的原理图。

具体实施方式

本发明提出的带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的实施例，其原理如图1所示，它包括基波用铁芯1、谐波用铁芯2、基波供电线圈3、谐波供电线圈5、一次线圈4、二次线圈6、短路限流电阻17及误差补偿电路16；误差补偿电路16包括第一运算放大器15、第二运算放大器14、第三运算放大器10、电容13、第一电阻7、第二电阻8、第三电阻9、第五电阻11、第四电阻12及第六电阻18；误差补偿电路16中的第一运算放大器15的反相输入端和输出端通过第一电阻7相连，第一运算放大器15的输出端通过第二电阻8与第二运算放大器14的反相输入端相连，第一运算放大器15的输出端通过第六电阻18接地，第一运算放大器15的同相输入端接地；第二运算放大器14的反相输入端和输出端通过第三电阻9相连，第二运算放大器14的输出端与第三运算放大器10的同相输入端直接相连，第二运算放大器14的同相输入端接地；第三运算放大器10的反相输入端通过并联电容13的第四电阻12接地，同时第三运算放大器10的反相输入端和输出端通过第五电阻11相连；第三运算放大器10的输出端与一次线圈4的非同名端相连，一次线圈4的同名端和第一运算放大器15的反相输入端构成升压器的输出端口，该端口也是基准的一次端口；二次线圈6的同名端与短路限流电阻17的一端相连；短路限流电阻17的另一端和二次线圈6的非同名端构成基准的二次端口；各线圈按以下方式绕制在相应的铁芯上：首先将基波供电线圈3均匀地绕制在基波用铁芯1上，再将谐波供电线圈5均匀地绕制在谐波用铁芯2上，然后将二次线圈6同时绕制在基波用铁芯1和谐波用铁芯2上，最后将一次线圈4同时均匀地绕制在基波用铁芯1和谐波用铁芯2上；基波用铁芯1和谐波用铁芯2均为闭环铁芯；A和N为升压器的输出端口，同时也是基准的一次端口，a和n为基准二次标准参考电压的输出端口。E₁和E₂为基波供电线圈3的输入端口，E₃和E₄为谐波供电线圈5的输入端口；外部基波电压源由E₁和E₂端口向基波供电线圈3施加供电电压e_x1，外部谐波电压源由E₃和E₄端口向谐波供电线圈5施加供电电压e_sh。

下面对本发明的带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的原理做进一步的说明。

基波供电线圈3的电动势平衡方程为：

$e_{s1}=R_{s1}{i}_{s1}+L_{s1}\frac{{\mathrm{di}}_{s1}}{\mathrm{dt}}+N_{s1}\frac{d{\mathrm{\φ}}_{s1}}{\mathrm{dt}}$

式中R_s1和L_s1分别为基波供电线圈3的电阻和漏电感，i_s1和N_s1分别为基波供电线圈3的电流和匝数，φ_a1为基波用铁芯1的磁通。

谐波供电线圈5的电动势平衡方程为：

$e_{\mathrm{sh}}=R_{\mathrm{sh}}{i}_{\mathrm{sh}}+L_{\mathrm{sh}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}}+N_{\mathrm{sh}}\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}}$

式中R_sh和L_sh分别为谐波供电线圈5的电阻和漏电感，i_sh和N_sh分别为谐波供电线圈5的电流和匝数，φ_sh为谐波用铁芯2的磁通。

升压器输出端口和基准的一次端口的电动势平衡方程为：

$u_1=N_1(\frac{{\mathrm{d\φ}}_{s1}}{\mathrm{dt}}+\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}})-R_1{i}_1-L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+u_c$

式中N₁、R₁和L₂分别为一次线圈4的匝数、电阻和漏电感，u₁为升压器输出电压及基准一次试验电压，i₁为升压器输出电流及一次线圈4的电流，u_c为误差补偿电路16提供的补偿电压。补偿电压u_c为：

$u_c=\frac{R_3{R}_5}{R_4}(1+\frac{R_7}{R_6})i_1+\frac{C{R}_3{R}_5{R}_7}{R_4}\frac{d{i}_1}{\mathrm{dt}}$

令R₄＝R₅、R₆＝R₇、R₃＝R₁/2和CR₇＝2L₁/R₁，有：

$u_1=N_1(\frac{d{\mathrm{\φ}}_{s1}}{\mathrm{dt}}+\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}})$

调节外部基波电压源及谐波电压源，当满足以下理想条件时：

$e_{s1}=(R_{s1}{i}_{s1}+L_{s1}\frac{{\mathrm{di}}_{s1}}{\mathrm{dt}})+\sqrt{2}{E}_{s1}\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{s1})$

$e_{\mathrm{sh}}=(R_{\mathrm{sh}}{i}_{\mathrm{sh}}+L_{\mathrm{sh}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}})+\sqrt{2}{E}_{\mathrm{sh}}\sin (h\×2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}})$

可得升压器输出电压及基准一次试验电压u₁：

$u_1=\sqrt{2}\frac{N_1}{N_{s1}}{E}_{s1}\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{s1})+\sqrt{2}\frac{N_1}{N_{\mathrm{sh}}}{E}_{\mathrm{sh}}\sin (h\×2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}})$

式中f和h分别为外部供电电压源的基波频率及谐波次数，E_s1和φ_s1分别为基波供电线圈3的感应电压有效值和初相角，E_sh和φ_sh分别为谐波供电线圈5的感应电压有效值和初相角。

二次线圈6的内阻抗及短路限流电阻17相比基准二次输出额定负荷可以忽略，此时基准输出的二次标准参考电压u₂为

$u_2=N_2(\frac{d{\mathrm{\φ}}_{s1}}{\mathrm{dt}}+\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}}}{\mathrm{dt}})$

式中N₂为二次线圈6的匝数，因此有：

$u_2=\sqrt{2}\frac{N_2}{N_{s1}}{E}_{s1}\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{s1})+\sqrt{2}\frac{N_2}{N_{\mathrm{sh}}}{E}_{\mathrm{sh}}\sin (h\×\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sh}})$

即u₁/u₂＝N₁/N₂。

本实施例具体设计参数为：升压器输出电压和基准一次电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为220V和22V，额定频率为50Hz，单次谐波频率范围为100Hz至650Hz，基波和单次谐波电压的初相角为任意值；基准二次电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为4V和0.4V；基准二次输出额定负荷为20MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10；升压器容量为40VA，升压器额定基波供电电压的方均根值为250V，升压器额定谐波供电电压的方均根值为25V；基波用铁芯1和谐波用铁芯2均为冷轧硅钢片闭环铁芯，基波用铁芯1的内径为100mm、外径为240mm、高度为80mm，谐波用铁芯2的内径为150mm、外径为190mm、高度为20mm；一次线圈4的匝数N₁＝220，基波供电线圈3的匝数N_s1＝250，谐波供电线圈5的匝数N_sh＝250，二次线圈6的匝数N₂＝4，各线圈均采用单根φ0.49漆包线在相关铁芯上均匀绕制，线圈采用聚酯薄膜绝缘。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于包括：基波用铁芯(1)、谐波用铁芯(2)、基波供电线圈(3)、谐波供电线圈(5)、一次线圈(4)、二次线圈(6)、短路限流电阻(17)和误差补偿电路(16)；所述的误差补偿电路(16)包括第一运算放大器(15)、第二运算放大器(14)、第三运算放大器(10)、电容(13)、第一电阻(7)、第二电阻(8)、第三电阻(9)、第四电阻(12)、第五电阻(11)和第六电阻(18)；一次线圈(4)既作为升压器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)均为闭环铁芯；所述的基波供电线圈(3)均匀地绕制在基波用铁芯(1)上，所述的谐波供电线圈(5)均匀地绕制在谐波用铁芯(2)上，所述的二次线圈(6)同时绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上，所述的一次线圈(4)同时均匀地绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上；误差补偿电路(16)中的第一运算放大器(15)的反相输入端和输出端通过第一电阻(7)相连，第一运算放大器(15)的输出端通过第二电阻(8)与第二运算放大器(14)的反相输入端相连，第一运算放大器(15)的输出端通过第六电阻(18)接地，第一运算放大器(15)的同相输入端接地；第二运算放大器(14)的反相输入端和输出端通过第三电阻(9)相连，第二运算放大器(14)的输出端与第三运算放大器(10)的同相输入端直接相连，第二运算放大器(14)的同相输入端接地；第三运算放大器(10)的反相输入端通过并联电容(13)的第四电阻(12)接地，同时第三运算放大器(10)的反相输入端和输出端通过第五电阻(11)相连；第三运算放大器(10)的输出端与一次线圈(4)的非同名端相连，一次线圈(4)的同名端和第一运算放大器(15)的反相输入端构成升压器的输出端口，该端口也是基准的一次端口；二次线圈(6)的同名端与短路限流电阻(17)的一端相连；短路限流电阻(17)的另一端和二次线圈(6)的非同名端构成基准的二次端口。

2.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：所述升压器的输出电压，即基准的一次试验电压为基波供电线圈(3)提供的基波电压和谐波供电线圈(5)提供的单次谐波电压的线性组合，基准的一次试验电压和基准二次端口输出的二次标准参考电压之间准确转换；一次试验电压的基波电压和单次谐波电压的频率、幅值和初相角通过外部基波电压源和外部谐波电压源进行选择和调节，通过检测基准二次端口输出的二次标准参考电压，可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；当基波电压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，实现以基波为参变量进行电子式电压互感器准确度误差频率响应的测试。

3.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：一次试验电压单次谐波额定电压的方均根值为基波额定电压方均根值的1/10，额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为100Hz至650Hz或120Hz至780Hz，基波和单次谐波电压的初相角为任意值。

4.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：所述基准二次端口输出的二次标准参考电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为4V和0.4V。

5.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：所述基准的二次输出额定负荷为20MΩ，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0.1级电子式电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10。

6.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：额定基波供电电压的方均根值为250V，额定谐波供电电压的方均根值为25V。

7.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：所述作为升压器输出端子的第一运算放大器(15)的反相输入端接近地电位，同时该反相输入端通过第一电阻(7)和第六电阻(18)可靠接地。

8.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于基准二次输出端口允许短路。

9.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于：本发明所述的误差补偿电路用于消除由一次线圈(4)的电阻及漏抗引起的基准误差。

10.根据权利要求1-9任何一项所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于各线圈按以下方式绕制在相应的铁芯上：首先将基波供电线圈(3)均匀地绕制在基波用铁芯(1)上，再将谐波供电线圈(5)均匀地绕制在谐波用铁芯(2)上，然后将二次线圈(6)同时绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上，最后将一次线圈(4)同时均匀地绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上。

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