CN103941065A - 减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法，属于计量测试领域。本发明实现了在电压互感器和感应分压器初级回路中插入一个补偿电压，以抵消初级绕组残余阻抗上的电压降影响，补偿电压是由间接取出残余阻抗上的电压降经放大后获得的。因此，初级电压就相当于加在初级绕组的电感上，而电感上的电压可以按匝数比例关系耦合到与初级绕组紧耦合的其它绕组中去，于是其它绕组就得到消除了残余阻抗影响的准确电压，这使电压互感器和感应分压器的准确度得到极大的提高。

Description

减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法

技术领域

本发明属于计量测试领域。本方法可减小激磁电流在电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗上电压降的影响，从而大大提高了电压互感器和感应分压器的准确度，本发明特别适合于制造高准确度的低频电压互感器和低频感应分压器。

背景技术

电压互感器和感应分压器是电压比例器具，通常把一个较高的电压变成一个较低的电压，以便于进行测量，由于它准确度高，运行可靠，寿命长，所以在发电、输配电、用电、仪器仪表、自动化、继保等领域有广泛的应用。

由于电压互感器和感应分压器应用广泛，所以人们对它广有研究。图1为单级电压互感器或感应分压器，由于初级绕组残余阻抗上的电压降不能耦合到次级绕组中去，所以产生了较大的误差。图2为双级电压互感器或双级感应分压器。它们把初级绕组N₁残余阻抗上的电压降耦合至绕在2个铁心上的电压绕组N₃中去，此时电压绕组几乎无电流，因此电压绕组的残余阻抗上无电压降，而电压绕组与次级绕组是紧耦合的，所以次级绕组从电压绕组得到的电压将是准确的，为V₂＝V₁N₂/N₁或V₂＝αV₁N₂/N₁。图3为自耦式双级感应分压器，准确度比图2略高。

对图1所示的单级电压互感器或感应分压器，设初级绕组的残余阻抗为z₁＝r₁+jωl₁，初级绕组的感抗为Z₁，略计铁损，则由残余阻抗引入的误差为-z₁/Z₁，也称激磁误差。图2所示的电压互感器或感应分压器，设初级绕组N₁的残余阻抗为z₁，感抗为Z₁，电压绕组N₃的残余阻抗为z₃，感抗为Z₃，则由残余阻抗引入的双级互感器激磁误差为z₁z₃/[Z₁(Z₃-Z₁)]。感抗Z₃-Z₁为绕组N₃在附加铁心上的感抗，所以-z₃/(Z₃-Z₁)为绕组N₃的单级激磁误差，2个单级激磁误差之积(-z₁/Z₁)[-z₃/(Z₃-Z₁)]即为双级互感器激磁误差。可见，双级互感器绕组N₃和附加铁心的作用不是减小z₁的影响，而是把z₁上的压降取出后耦合到次级绕组，这与本发明是不同的。图3所示的自耦式双级感应分压器，初级绕组残余阻抗的影响比图2小，其误差是由N₁绕组与N₂绕组各段间耦合不均匀引起的，各段残余阻抗不等引入误差不大。

如果在初级回路中引入一个电压，抵消电流在残余阻抗上的电压降，则初级电压完全加在初级绕组的电感上，这就消除了残余阻抗的影响，从而大大提高了互感器或感应分压器的准确度。

发明内容

本发明所述的”减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法”，其本质是引入一个补偿电压以抵消初级绕组残余阻抗上的电压降影响，这样，初级电压就相当于完全加在初级绕组的电感上，而电感上的电压可以按匝数比例关系耦合到与N₁紧耦合的其它绕组中去，于是其它绕组就得到消除了残余阻抗影响的输出电压。由检测绕组，电压跟随器和反相放大器组成一阶有静差系统自动抵消初级绕组残余阻抗上的电压降影。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在软磁材料制成的铁心上用带绝缘的铜导线绕制2个匝数相等的绕组N₁、N₂，N₁为初级绕组，N₂为检测绕组，把它们的同名端连在一起接于初级电压V₁的高端，N₂的异名端与跟随器A₁的同相输入端之间接隔直电容C₂，它跟随的电压为初级电压V₁与N₂绕组中的感应电压之差，跟随器输出至反相放大器A₂放大K倍，放大器输出经隔直电容C₁与绕组N₁的异名端相连，这个放大了K倍的差值电压补偿N₁绕组残余阻抗上的电压降，所以初级电压V₁就相当于加在初级绕组N₁的电感上，而电感上的电压可以按匝数比例关系耦合到与N₁紧耦合的其它绕组中去，于是其它绕组就得到消除了残余阻抗影响的输出电压。

与现有电压互感器和感应分压器技术相比，本发明的有益效果是：大大降低了初级绕组残余阻抗的影响，使互感器和感应分压器更准确，本发明特别适合于制造高准确度的低频互感器和低频感应分压器，因为低频时感抗小，残余阻抗影响大。

附图说明

图1  单级电压互感器或感应分压器原理图

图2  双级电压互感器或双级感应分压器原理图

图3  自耦式双级感应分压器原理图

图4  用本发明制造单级电压互感器或感应分压器原理图

图5  用本发明制造单级感应分压器原理图

图6  用本发明制造双级感应分压器原理图

图7  用本发明制造双级电压互感器或双级感应分压器原理图

图8  本发明所述的“减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法”原理图

A₁、A₂           运算放大器

R₁               A₁的偏置电阻

R₂、R₃           反相放大器放大倍率电阻

R₄               放大器失调调节电阻

C₁、C₂           隔直电解电容

N₁               初级绕组

N₂               检测绕组

V₁               初级电压

I₁               激磁电流

具体实施方式

实施例1，图8为本发明所述的减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法原理图，用该实例进一步分析本方法的本质。

设初级电压为V₁，N₁绕组感抗为Z₁，电阻为r₁，漏感为l₁，则初级绕组残余阻抗z₁＝r₁+jωl₁，电流I₁流过感抗Z₁上的电压降为I₁Z₁。设N₁、N₂之间为理想耦合，则电压I₁Z₁将耦合至绕组N₂中，所以跟随器A₁的输入电压为初级电压V₁与耦合在绕组N₂中的感应电压之差，即V₁-I₁Z₁，这个差值电压经反相放大器放大k倍。放大器输出经隔直电容C₁与绕组N₁的异名端相连。所以加在绕组N₁两端的电压为V₁+(V₁-I₁Z₁)，所以电流I₁＝(V₁+V₁-I₁Z₁)/(z₁+Z₁)，整理后得I₁＝V₁/[Z₁+z₁/(k+1)]。可见残余阻抗z₁的影响减小了k倍。如果k很大，则I₁＝V₁/Z₁，电源电压全部加在电感上，即相当于残余阻抗为零。这样，凡与N₁紧耦合的绕组，得到的电压其误差为-z₁/[Z₁(k+1)]，比无补偿时的误差-z₁/Z₁减小了k倍。显然，N₂绕组上的电压误差也为-z₁/[Z₁(k+1)]。所以图4、图5输出电压的误差也为-z₁/[Z₁(k+1)]。

图7为用本发明制造双级电压互感器或双级感应分压器原理图，在铁心1上绕制绕组N₁、N₃后叠上附加铁心2，然后把绕组N₂、N₄绕在2个铁心上，使N₁＝N₃＝N₄。设N₄的感抗为Z₄，残余阻抗为z₄，N₄绕组从N₁绕组得到的感应电压为V₁[1-z₁Z₁ ^-1(k+1)^-1]，因为N₄绕组并联于电压V₁上，所以降落在铁心2的N₄绕组上的电压为V₁-V₁[1-z₁Z₁ ^-1(k+1)^-1]＝V₁z₁/[Z₁(k+1)]^-1，而N₄绕组在铁心2上形成的阻抗为Z₄-Z₁(相当于把铁心1抽出)，所以流过N₄绕组的电流为V₁z₁/[Z₁(k+1)(Z₄-Z₁)]^-1，它在残余阻抗z₄上的电压降为V₁z₁z₄/[Z₁(k+1)(Z₄-Z₁)]^-1，这部分电压不能耦合到次级绕组N₂中去，所以输出电压误差为-z₁z₄/[Z₁(k+1)(Z₄-Z₁)]^-1，比不采用误差补偿方法所得输出电压误差-z₁z₄/[Z₁(Z₄-Z₁)]^-1减小了K倍。

实施例2，按图7用本发明制造一具双级电压互感器，初级电压1000伏，次级电压100伏，频率50赫，负载零伏安。

铁心1由硅钢Z10、厚0.3mm的带材卷制而成，规格为Φ60×180/80，用Φ0.13QZ线均匀绕1000匝作为N₁，电感为300H，电阻r₁＝400Ω，略计残感，则电阻r₁引入的误差为-r₁/Z₁＝j400/(314×300)＝4.246×10^-3(弧度)＝14.6(分)。用Φ0.12QZ线均匀绕1000匝作为N₃。

现叠加铁心2，材料为纳米晶1k107，规格为Φ53×187/10，用Φ0.13QZ线在2个铁心上均匀绕1000匝作为N₄，电感为530H，电阻r₄＝440Ω，略计残感，则电阻r₄引入的误差为-r₄/(Z₄-Z₁)＝j440/[(314×(530-300))^-1＝6.09×10^-3(弧度)＝20.9(分)。用Φ0.8QZ线均匀绕100匝作为次级绕组N₂，设绕组间耦合系数为1，则在无补偿时，互感器输出电压误差为-r₁r₄/[Z₁(Z₄-Z₁)]＝0.004246×0.00609＝2.58×10^-5。

现引入补偿，2个运算放大器为AD841，电阻R₁＝100KΩ，R₂＝1KΩ，R₃＝100KΩ，放大倍数K＝100，C₁＝C₂＝1000μF，则由电阻r₁引入的误差仅为-r₁/[Z₁(k+1)]＝j400/(314×300×101)＝4.2×10^-5(弧度)，比无补偿时小100倍。所以，用本发明制造的双级电压互感器输出电压误差仅为-r₁r₄/[Z₁(k+1)(Z₄-Z₁)]＝4.2×10^-5×6.09×10^-3＝2.55×10^-7，比单纯的双级电压互感器误差小100倍，本发明的优点是极其显著的。

Claims (2)

1.本发明所述的“减小电压互感器和感应分压器初级绕组残余阻抗影响的方法”，其特征在于：

在电压互感器和感应分压器初级绕中引入一个补偿电压，以抵消初级绕组残余阻抗上的电压降影响，使初级电压相当于完全加在初级绕组的电感上，而电感上的电压可以按匝数比例关系耦合到与初级绕组紧耦合的其它绕组中去，于是，在其它绕组上得到了已消除残余阻抗影响的准确电压；补偿电压是由间接取出残余阻抗上的电压降经放大后获得的；由初级绕组、检测绕组、电压跟随器和反相放大器组成一阶有静差系统自动抵消初级绕组残余阻抗上的电压降影响。

2.根据权利要求1所述的减小残余阻抗影响的方法，其特征在于：

在软磁材料制成的铁心上用带绝缘的铜导线绕制2个匝数相等的绕组N₁、N₂，N₁为初级绕组，N₂为检测绕组，把它们的同名端连在一起接于初级电压V₁的高端，N₂的异名端与跟随器A₁的同相输入端之间接隔直电解电容C₂，跟随器同相输入端接电阻R₁至电源中点，跟随器跟随初级电压V₁与N₂中感应电压之差，跟随器输出接反相放大器，反相放大器由倍率电阻R₂、R₃和调节失调电压的电阻R₄及运算放大器A₂组成，放大器输出经隔直电解电容C₁与绕组N₁的异名端相连，组成一阶有静差系统。