CN104459274A - 一种高压标准电容器电压系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压标准电容器电压系数的测量方法，属于电容测量领域。所述方法将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联形成串联电压互感器，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L分别并联到串联电压互感器的一次侧和二次侧，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的低压输出端分别连接到电流比较仪电桥的电流输入端，组成高压标准电容器电压系数的测量系统；然后利用电流比较仪电桥测量流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值，完成高压标准电容器C_H的电压系数的测量；所述全绝缘双级电压互感器T₂和半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组、二次绕组的额定电压相同，且标称变比相同。

Description

一种高压标准电容器电压系数的测量方法

技术领域

本发明属于电容测量领域，具体涉及一种高压标准电容器电压系数的测量方法。

背景技术

高压标准电容分压器通常在计量实验室用作工频电压比例标准，它由压缩气体高压标准电容器和低压标准电容器组成。电压系数是高压标准电容器最主要的计量参数。根据高压标准电容器电压系数的产生机理分析，一些实验室采用间接法测量电压系数，如倾斜法和机械冲击法；也有实验室采用偏压法测量电压系数，如双频法和直流偏压法。但前者需要假定被测电容器满足一定的工艺条件，而后者在测量过程中测试电压通常只能达到几十千伏，无法满足高压标准电容器到额定电压的电压系数的测量要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种在工频高电压下高压标准电容器电压系数的测量方法。通过巧妙的运用全绝缘双级电压互感器、半绝缘双级电压互感器以及隔离电压互感器建立电容器电压系数的测量系统，并依靠电流比较仪电桥的电流线性度和所设计的计算方法来绝对测量高压标准电容器电压系数，实现在工频高电压下测定高压标准电容分压器的电压系数。该方法可作为国家或省部级计量标准使用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高压标准电容器电压系数的测量方法，所述方法将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联形成串联电压互感器，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L分别并联到串联电压互感器的一次侧和二次侧，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的低压输出端分别连接到电流比较仪电桥的电流输入端，组成高压标准电容器电压系数的测量系统；然后利用电流比较仪电桥测量流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值，完成高压标准电容器C_H的电压系数的测量；

所述全绝缘双级电压互感器T₂和半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组、二次绕组的额定电压相同，且标称变比相同。

所述将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联形成串联电压互感器是这样实现的：

将所述全绝缘双级电压互感器T₂的一次绕组与半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组串联；

将串联电压互感器的一次绕组的高、中、低电位端分别连接到两台串联的试验电源的高、中、低电位端；

将所述全绝缘双级电压互感器T₂的二次绕组经高压隔离互感器T₃与半绝缘双级电压互感器T₁的二次绕组串联；串联的二次电压经电压跟随器后，驱动低压标准电容器C_L；

所述高压隔离互感器T₃的变比为1∶1。

所述利用电流比较仪电桥测量流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值，完成高压标准电容器C_H的电压系数的测量包括：

(一)使两台试验电源分别输出相同电压U，从电流比较仪电桥得到流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值；

(二)使两台试验电源同时输出电压U，测量倍增电压下的电流比值，通过计算，得到高压电容器在U与2U电压下的电容值变化；

(三)依次倍增试验电源的电压得到电压系数的倍增序列，最后进行曲线拟合，得到高压标准电容器C_H的电压系数。

所述测量步骤(一)包括：

(1)：令U₁₂＝0，即全绝缘双级电压互感器T₂的一次绕组短路，半绝缘双级电压互感器T₁与高压标准电容器C_H在相同电压U₁₁＝U下进行测量，设电桥的电流比率读数为R₁，则

$K_n(1+\mathrm{\β}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_1=K_c[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_1---\left(2\right)$

(2)：令U₁₁＝0，即半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组短路，全绝缘双级电压互感器T₂与高压标准电容器C_H在相同电压U₁₂＝U下进行测量。设电桥的电流比率读数为R₂

$K_n(1+\mathrm{\γ}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_2=K_c[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_2---\left(3\right)$

其中，K_C为高压标准电容器C_H与低压电容C_L所构成的电容分压器在参考电压下的比率，即K_C＝C_L/C_H，α(U)为该比率的电压系数；β(U)和γ(U)分别为半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂对应的电压系数；K_n为全绝缘双级电压互感器T₂和半绝缘双级电压互感器T₁的标称变比。

所述测量步骤(二)具体如下：

令U₁₁≈U₁₂≈U，半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂串联与高压标准电容器C_H在2U下进行测量，但半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂的一次电压保持U不变，设电桥的电流比率读数为R₃，则：

$\frac{U_{11}+U_{12}}{\frac{U_{11}}{\left|K_1\right|}+\frac{U_{12}}{\left|K_3\right|}}=\frac{C_L}{C_H\left(2U\right)}\·R_3=K_c[1+\mathrm{\α}\left(2U\right)]R_3---\left(4\right)$

设U₁＝U₁₁+U₁₂，根据公式(2)、(3)、(4)最后得到

$\mathrm{\α}\left(2U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\frac{R_1+R_2}{{2R}_3}-1.$

所述测量步骤(三)包括：

采用与测量步骤(二)相同的方法，依此类推，得到α(4U)与α(2U)的关系、α(8U)与α(4U)的关系，直到α(2ⁿU)与α(2^n-14U)的关系，n＝任意自然数，然后将得到的各个关系累加求和得到α(2ⁿU)与α(U)的关系，将这一系列α(2ⁿU)都在坐标系上标出来，再进行拟合，得到高压标准电容器C_H的电压系数曲线： $\mathrm{\α}\left(2^{n}U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\underset{.i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\α}\left(2^{i}U\right)-\mathrm{\α}\left(2^{i-1}U\right)].$

将所述全绝缘互感器T₂的二次绕组的低端与其一次绕组短接到试验电源的中电位端。

所述两台串联的试验电源是采用带中间电位引出端的升压变压器提供两标称值相等的串联电压形成的，两者的输出电压近似相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明研究一种基于电压互感器串联实现倍增电压，使电容分压器两端电压倍增，通过电流比较仪电桥的电流线性度和所推导的计算方法，得到倍增电压变化导致的高压电容分压器电容值的变化量，实现了在工频高电压下测定高压标准电容分压器的电压系数。

附图说明

图1电压互感器与电容分压器的比较线路图

图2本发明高压标准电容器电压系数测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

所述方法将高压电容分压器(即高压标准电容器，因为分压器电压系数主要取决于高压电容器)的高压端接到全绝缘双级互感器的一次绕组高压端，全绝缘互感器一次绕组与半绝缘双级互感器的一次绕组串联；两个串联电压互感器一次绕组(高、中和低端)分别连接两台输出电压标称值相等的串联试验电源(高、中和低端)；全绝缘电压互感器的二次绕组通过高压隔离电压互感器后与半绝缘电压互感器二次绕组串联，然后经电压跟随器输出，驱动电容分压器的低压电容；电容分压器的高压电容和低压电容的低压输出端分别连接到电流比较仪电桥的电流输入端；所有设备的接地端接地。设定试验电源的电压，电流比较仪电桥测量流过高压电容和低压电容的电流比值；通过特定的测量步骤，比较一系列倍增电压下流过电容的电流比例，从而完成高压电容器电压系数的测量。

所述方法中采用的所述两台试验电源采用带中间电位引出端的升压变压器提供两标称值相等的串联电压形成，输出电压近似相等，串联时可提供倍增电压；所述全绝缘双级互感器和半绝缘双级电压互感器的一、二次绕组的额定电压相同，且标称变比相同；所述高压隔离互感器的变比为1∶1，用于将高压浮地低电压变换为低压浮地低电压，高压隔离性能良好；所述高压电流比较仪电桥为电压互感器校准工作常用电桥。

具体实施如下：

如图2所示，将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联，高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L分别并联到串联电压互感器的一次侧和二次侧，用电流比较仪电桥测量流过两电容器的电流比。通过特定测量步骤，得到高压电容分压器(或高压标准电容器)的电压系数。

全绝缘电压互感器T₂的一次绕组与半绝缘电压互感器T₁的一次绕组串联，而且串联互感器一次绕组高、中、低电位端(即图2中的H、o和接地端)分别连接到两台串联的试验电源的高、中、低电位端(即图2中的电源最上端、0和接地端)；

全绝缘互感器T₂的二次绕组经高压隔离互感器T₃与半绝缘互感器T₁的二次绕组串联(T₁和T₂的二次绕组不是直接串联。T₂的二次绕组低端与其一次绕组短接到o(保证T₂的一、二次对屏蔽(虚线)始终处于等电位)，串联时处于高电位，必须经过隔离互感器T₃，将T₂的高浮地二次电压转换为T₃的低浮地电位二次电压)，串联的二次电压经电压跟随器后，驱动低压标准电容器C_L。

所述两个串联试验电源，可以应用带中间电位引出端的升压变压器提供两标称值相等的串联电压；所述全绝缘双级电压互感器和半绝缘双级电压互感器的一、二次绕组的额定电压相同，标称变比相同；所述高压隔离互感器的变比为1∶1，将全绝缘互感器T₂二次的高浮地输出电压准确地变换为低浮地输出电压，以便与半绝缘电压互感器T₁的二次电压串联。

所述的特定测量步骤是这样实现的：两台试验电源分别输出相同电压U，从电桥得到流过高压电容和低压电容的电流比值；再将两台电源同时输出电压U，测量倍增电压下的电流比值，通过理论推导计算，得到高压电容器在U与2U电压下的电压变化；依次倍增电源电压可以得到电压系数的倍增序列，进行曲线拟合，得到高压电容的电压系数。

具体实施时，两台试验电源依次输出相等的电压U，从电流比较仪电桥依次测得流过高压电容和低压电容的2个电流比值；再将两台试验电源同时输出电压U，测量倍增电压下的电流比值，通过理论推导计算，得到高压电容器从U到2U电压下的电容变化量；依此进一步倍增电源电压可以得到这样一个序列：U，2U，4U……，对该电压序列下测定的电容变化量累加求和，得到高压电容随电压的变化规律，即电压系数。

图1中的标记说明：T是双级电压互感器(为简化线路，这里用单级电压互感器表示，下同)；U₁为高压试验电源；C_H和C_L分别代表高压电容分压器的高压电容和低压电容；电流比较仪电桥(C-tanδ)测量流过C_H和C_L的电流比值。图2中的标记说明：T₁是半绝缘双级电压互感器，T₂是全绝缘双级电压互感器，T₃是比例为1∶1的高压隔离互感器；U₁₁和U₁₂为两台高压试验电源，且输出电压U₁₁≈U₁₂。

图1和图2中的电压、电流符号上的圆点表示交流电压、电流，用复数表示。不过这里仅用于测量电容比例，不测损耗(损耗正常时基本不随电压变化)，复数电压也可以如公式用U表示。

图1为高压电容分压器校准双级电压互感器的原理电路图。高压试验电源接到电容分压器的高压端和互感器T的一次绕组高压端，电流比较仪接在分压器的高压电容C_H和低压电容C_L的低压电流输出端，用来测量流过C_H和C_L的电流比值。则

$\left|K\right|=\frac{U_1}{U_2}\≈\frac{C_L}{C_H}\·R---\left(1\right)$

其中K为电压互感器的变比(比差)，R为电桥的比例读数。

设高压电容分压器的比率为K_C，即K_C＝C_L/C_H，该比率的电压系数为α(U)，则有|K_C(U)|＝K_C(1+α(U))。由于低压电容仅工作在互感器二次电压下，电压变化对电容量影响可以忽略，因此高压标准分压器的电压系数近似等于高压标准电容器的电压系数(仅是符号相反)。

同样，设图2中电压互感器T₁和T₂(与T₃的组合)的比率分别为K₁和K₂，其标称变比相同，为K_n，这两个比率的电压系数为β(U)和γ(U)，则有|K₁(U)|＝K_n(1+β(U))，|K₂(U)|＝K_n(1+γ(U))。

本发明的测量步骤如下：

第一步：令U₁₂＝0，即T₂的一次绕组短路，T₁与高压电容分压器在相同电压U₁₁＝U下进行测量，测量电路如图1所示。设电桥的电流比率读数为R₁。由式(1)可得

$K_n(1+\mathrm{\β}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_1=K_C[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_1---\left(2\right)$

第二步：令U₁₁＝0，即T₁的一次绕组短路，同第一步，T₂与高压电容分压器在相同电压U₁₂＝U下进行测量。设电桥的电流比率读数为R₂。同理，可得

$K_n(1+\mathrm{\γ}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_2=K_C[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_2---\left(3\right)$

第三步：令U₁₁≈U₁₂≈U，如图2所示，T₁和T₂串联与高压电容分压器在2U进行测量，但T₁和T₂的一次电压保持U不变。设电桥的电流比率读数为R₃。由式(1)，可得

$\frac{U_{11}+U_{12}}{\frac{U_{11}}{\left|K_1\right|}+\frac{U_{12}}{\left|K_3\right|}}=\frac{C_L}{C_H\left(2U\right)}\·R_3=K_c[1+\mathrm{\α}\left(2U\right)]R_3---\left(4\right)$

设U₁＝U₁₁+U₁₂，因为U₁₁≈U₁₂≈U，则可以设U₁₁＝0.5U₁(1+σ)，U₁₂＝0.5U₁(1-σ)，其中σ为一微小量。代入式(4)，可得

$\frac{C_H\left(2U\right)}{C_L}\·\frac{1}{R_3}=\frac{1+\mathrm{\σ}}{2K_n(1+\mathrm{\β}\left(U\right))}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{2K_n(1+\mathrm{\γ}\left(U\right))}---\left(5\right)$

整理式(5)，忽略掉高阶项，可得

$K_n(1+\frac{\mathrm{\β}+\mathrm{\γ}}{2})=\frac{C_L}{C_H\left(2U\right)}{R}_3=K_c[1+\mathrm{\α}\left(2U\right)]R_3---\left(6\right)$

由式(2)、(3)、(6)，可得

$\mathrm{\α}\left(2U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\frac{R_1+R_2}{2R_3}-1---\left(7\right)$

同理，可以得到α(4U)与α(2U)的关系，α(8U)与α(4U)的关系……，即等等，然后累加求和，即α(4U)-α(U)＝[α(4U)-α(2U)]+[α(2U)-α(U)]，依次类推，便可以得到高压电容分压器的变比的电压系数曲线： $\mathrm{\α}\left(2^{n}U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\α}\left(2^{i}U\right)-\mathrm{\α}\left(2^{i-1}U\right)].$

最后表达式是一种中间公式，意思是说最终的结果不是由原始的测量数据表示的。原始的测量数据是电桥的读数，例如R₁，R₂，R₃。每组电桥的读数都是三个，根据公式(7)，可以得到一组α(2U)-α(U)。

本发明方法根据高压标准电容分压器校准电压互感器的基本方法，由全绝缘电压互感器、半绝缘电压互感器和隔离互感器组成测量系统，测量过程中倍增试验电源电压，保持串联互感器各自工作电压不变，而使电容分压器两端的电压倍增，基于电流比较仪电桥的电流线性度以及所推导的计算方法，得到高压电容分压器随倍增电压的变化规律。利用本发明可实现高压标准电容器电压系数的绝对测量。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述方法将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联形成串联电压互感器，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L分别并联到串联电压互感器的一次侧和二次侧，将高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的低压输出端分别连接到电流比较仪电桥的电流输入端，组成高压标准电容器电压系数的测量系统；然后利用电流比较仪电桥测量流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值，完成高压标准电容器C_H的电压系数的测量；

所述全绝缘双级电压互感器T₂和半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组、二次绕组的额定电压相同，且标称变比相同。

2.根据权利要求1所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述将一台全绝缘双级电压互感器T₂与一台半绝缘双级电压互感器T₁串联形成串联电压互感器是这样实现的：

将所述全绝缘双级电压互感器T₂的一次绕组与半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组串联；

将串联电压互感器的一次绕组的高、中、低电位端分别连接到两台串联的试验电源的高、中、低电位端；

将所述全绝缘双级电压互感器T₂的二次绕组经高压隔离互感器T₃与半绝缘双级电压互感器T₁的二次绕组串联；串联的二次电压经电压跟随器后，驱动低压标准电容器C_L；

所述高压隔离互感器T₃的变比为1∶1。

3.根据权利要求1所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述利用电流比较仪电桥测量流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值，完成高压标准电容器C_H的电压系数的测量步骤包括：

(一)使两台试验电源分别输出相同电压U，从电流比较仪电桥得到流过高压标准电容器C_H和低压标准电容器C_L的电流比值；

(二)使两台试验电源同时输出电压U，测量倍增电压下的电流比值，通过计算，得到高压电容器在U与2U电压下的电容值变化；

(三)依次倍增试验电源的电压得到电压系数的倍增序列，最后进行曲线拟合，得到高压标准电容器C_H的电压系数。

4.根据权利要求3所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述测量步骤(一)包括：

(1)：令U₁₂＝0，即全绝缘双级电压互感器T₂的一次绕组短路，半绝缘双级电压互感器T₁与高压标准电容器C_H在相同电压U₁₁＝U下进行测量，设电桥的电流比率读数为R₁，则

$K_n(1+\mathrm{\β}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_1=K_c[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_1---\left(2\right)$

(2)：令U₁₁＝0，即半绝缘双级电压互感器T₁的一次绕组短路，全绝缘双级电压互感器T₂与高压标准电容器C_H在相同电压U₁₂＝U下进行测量，设电桥的电流比率读数为R₂

$K_n(1+\mathrm{\γ}\left(U\right))=\frac{C_L}{C_H\left(U\right)}\·R_2=K_c[1+\mathrm{\α}\left(U\right)]R_2---\left(3\right)$

其中，K_C为高压标准电容器C_H与低压电容C_L所构成的电容分压器在参考电压下的比率，即K_C＝C_L/C_H，α(U)为该比率的电压系数；β(U)和γ(U)分别为半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂对应的电压系数；K_n为全绝缘双级电压互感器T₂和半绝缘双级电压互感器T₁的标称变比。

5.根据权利要求4所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述测量步骤(二)具体如下：

令U₁₁≈U₁₂≈U，半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂串联与高压标准电容器C_H在2U下进行测量，但半绝缘双级电压互感器T₁和全绝缘双级电压互感器T₂的一次电压保持U不变，设电桥的电流比率读数为R₃，则：

$\frac{U_{11}+U_{12}}{\frac{U_{11}}{\left|K_1\right|}+\frac{U_{12}}{\left|K_2\right|}}=\frac{C_L}{C_H\left(2U\right)}\·R_3=K_c[1+\mathrm{\α}\left(2U\right)]R_3---\left(4\right)$

设U₁＝U₁₁+U₁₂，根据公式(2)、(3)、(4)最后得到

$\mathrm{\α}\left(2U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\frac{R_1+R_2}{2R_3}-1.$

6.根据权利要求5所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述测量步骤(三)包括：

采用与测量步骤(二)相同的方法，依此类推，得到α(4U)与α(2U)的关系、α(8U)与α(4U)的关系，直到α(2ⁿU)与α(2^n-1U)的关系，n＝任意自然数，然后将得到的各个关系累加求和得到α(2ⁿU)与α(U)的关系，将这一系列α(2ⁿU)都在坐标系上标出来，再进行拟合，得到高压标准电容器C_H的电压系数曲线：

$\mathrm{\α}\left(2^{n}U\right)-\mathrm{\α}\left(U\right)=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\α}\left(2^{i}U\right)-\mathrm{\α}\left(2^{i-1}U\right)].$

7.根据权利要求2所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：将所述全绝缘互感器T₂的二次绕组的低端与其一次绕组短接到试验电源的中电位端。

8.根据权利要求2所述的高压标准电容器电压系数的测量方法，其特征在于：所述两台串联的试验电源是采用带中间电位引出端的升压变压器提供两标称值相等的串联电压形成的，两者的输出电压近似相等。