CN107202914A - 一种高准确度宽频高压信号调理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高准确度宽频高压信号调理系统，所述系统包括：分压器，用于对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元的输入端；第一电压跟随单元，用于提高输入阻抗，并将所述初始的分压高压信号U1转化为跟随后的分压电压信号U2，并将所述跟随后的分压电压信号U2传输至变比调节单元，其中所述U1和U2等电位；变比调节单元，用于对所述跟随后的分压高压信号U2进行高精度调节。本发明的有益效果在于：对电压跟随电路进行改进，将低压运算放大器运用于高压电路环境，提高输入阻抗，并与分压器本体充分隔离，设计简单并能降低电路成本及运行功耗，提高了分压器本体的分压比的分压准确度。

Description

一种高准确度宽频高压信号调理系统及方法

技术领域

本发明涉及高电压测试技术领域，并且更具体地，涉及一种高准确度宽频高压信号调理系统及方法。

背景技术

一直以来，在高电压测试中，作为标准器使用的设备主要是电压互感器和分压器。电压互感器基于电磁耦合原理，其准确度高，稳定性好，是目前国内进行电压互感器量值溯源及传递的主要设备；而分压器的主要原理分为电容式、电阻式和阻容式三种，将一定数量的阻抗元件进行串联，分压，获得低压信号。与电磁式互感器相比，分压器具备更高的电压等级，广泛应用于特高压领域。不过若使用过多的分立器件，在进行交流信号测量时，其分布参数，寄生参数的直接影响了其分压准确度，同时由于阻容元件的温度特性、电压系数，其测量准确度具有较大的温度系数和电压系数，从而影响整体分压比。所以若将分压器作为标准器使用，目前常用的方式是使用两台具有较低电压系数和温度系数的压缩气体电容进行串联，并配合电子单元，构成一台有源电子式标准分压器。

已知的德国PTB使用的电子分压器进行量值传递时，其工频测试不确定度优于6×10-6，该类电容式分压器的最大优点是：只需在低压下使用感应分压器或者低压标准互感器对其进行溯源，即可在更高的电压下进行量值传递，因为其具有较低的电压系数。与同电压等级的电磁式标准器相比，电子式标准分压器在造价上具有较大的优势，约为其的1/4-1/3，在量值溯源完成后，电子式标准分压器在短时间内具有极高的稳定性，因此较为适合在实验室内进行使用。瑞士哈弗莱是高电压测试技术领域极具影响力的企业，其生产的高压标准电容器、分压器以及互感器校验设备具有极高的稳定性和技术指标，而其生产的电子式标准分压器4860由电容式分压器本体和电子单元构成，其标称测量准确度可达20ppm，电子单元可实现1010V电压的直接输入，原理未对外公开。然而该套设备也价格不菲，整套设备的售价在150万元左右，主要价格集中在电子单元。

发明内容

本发明提供了一种高准确度宽频高压信号调理方法及系统，以解决分压器的整体分压比不准确的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种高准确度宽频高压信号调理系统，所述系统包括：分压器、第一电压跟随单元和变比调节单元，

所述分压器，输出端与所述第一电压跟随单元的输入端相连接，用于对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元的输入端；

所述第一电压跟随单元，分别与所述分压器的输出端和所述变比调节单元的输入端相连接，用于提高输入阻抗，并将所述初始的分压高压信号U1转化为跟随后的分压电压信号U2，并将所述跟随后的分压电压信号U2传输至变比调节单元，其中所述U1和U2等电位；

所述变比调节单元，输入端与所述第一电压跟随单元的输出端相连接，用于对所述跟随后的分压高压信号U2进行高精度调节。

优选地，其中所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。

优选地，其中所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，所述缓冲电路的输入端与所述分压器的输出端相连接，所述缓冲电路的输出端和跟随电路的输入端相连接，所述跟随电路的输出端还连接所述缓冲电路的低压运放的供电电源的地上，实现了“自举跟随”。

优选地，其中在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿。

优选地，其中所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

其中，BW为运算放大器A1的增益带宽积。

优选地，其中所述系统还包括：

第二电压电压跟随单元，与所述变比单元相连接，用于提高系统的带负载能力。

优选地，其中所述变比调节单元采用多盘感应分压器调节变比。

根据本发明的另一个方面，提供了一种高准确度宽频高压信号调理方法，所述方法包括：

通过分压器对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元；

利用第一电压跟随电路将所述初始的分压高压信号U1转化分压高压信号U2，其中所述U1和U2等电位；

利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节。

优选地，其中所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。

优选地，其中所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿，所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

其中，BW为运算放大器A1的增益带宽积。

优选地，其中所述利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节，包括：

利用多盘感应分压器对所述分压高压信号U2进行高精度调节。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的技术方案将电压跟随电路进行改进，将低压运算放大器运用于高压电路环境，提高输入阻抗，并与分压器本体充分隔离，减小了对分压器本体的分压比的影响，设计简单并能降低电路成本及运行功耗。

2.本发明的高压信号调理系统具备宽频特性，工频下满足0.01级，1kHz以下满足0.1级。

3.基于多盘感应分压器原理对电压进行高精度调节，从而间接提高了分压器本体的分压比的分压准确度。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的高压信号调理系统100的结构示意图；

图2为根据本发明实施方式的自举跟随电路的示意图；

图3为根据本发明实施方式的测量输入阻抗的示意图；

图4为根据本发明实施方式的多盘感应分压器的示意图；

图5为根据本发明实施方式的测量不同频率满足的等级的原理图。以及

图6为根据本发明实施方式的高压信号调理方法600的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的高压信号调理系统100的结构示意图。如图1所示，所述高压信号调理系统100用于对分压器本体的分压比进行调节，提高分压器本体的分压精确度。如图1所示，所述高压信号调理系统100包括：分压器101、第一电压跟随单元102和变比调节单元103。优选地，其中所述系统还包括：第二电压电压跟随单元104，与所述变比调节单元103相连接，用于提高系统的带负载能力。

优选地，所述分压器101的输出端与所述第一电压跟随单元102的输入端相连接，用于对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元102的输入端。其中所述分压器产生的分压信号由分压器产生。

例如，Ui＝110/√3kV，若分压器的分压比为：则输出的分压高压信号：

优选地，所述第一电压跟随单元102分别与所述分压器101的输出端和所述变比调节单元103的输入端相连接，用于提高输入阻抗，并将所述初始的分压高压信号U1转化为跟随后的分压电压信号U2，并将所述跟随后的分压电压信号U2传输至变比调节单元，其中所述U1和U2等电位。优选地，其中所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，所述缓冲电路的输入端与所述分压器的输出端相连接，所述缓冲电路的输出端和跟随电路的输入端相连接，所述跟随电路的输出端还连接所述缓冲电路的低压运放的供电电源的地上。优选地，其中在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿。优选地，其中所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

其中，BW为运放A1的增益带宽积。

优选地，其中所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。

第一电压跟随单元为一个自举跟随电路。图2为根据本发明实施方式的自举跟随电路的示意图。如图2所示，所述自举跟随电路中，Up通过R1、C1与输出相连，既有正反馈又包含负反馈，运放A1的输入输出均处于相同电位，即Up＝Un＝Uo，此电路稳定且低压部分功耗基本为零。为了该电路能适应高压条件，在前级跟随器的后端使用一只高压功率运放A2，其输出连接至前级运放的供电电源的地上。A1为低压运放，工作电压不能超过正负20V，而U1在工作时约200V，为了使低压运放A1适应于200V电路，将U2反馈给A1的供电端，这样U1虽然相对“地”是200V，但相对于供电端不超过20V，实现了“自举跟随”。低压运放A1相对于高压运放A2，很大程度节约成本的同时，还能大大降低功耗。一般实际使用的运算放大器对一定频率的信号都会产生一定的相移，这样的信号不仅使输入输出间存在相位差，而且反馈到输入端将使放大电路工作不稳定甚至发生振荡，为此图2中R2、C2在整个电路中起一定的相位补偿作用。

在电阻R₁两端的压降为U₁，则：U₁＝U_O-U_P＝U_P-U_N，所以输入阻抗为：

由于电路中引入了深度负反馈，因此Up和Un是相等的，那么Ri就会趋于极大值了，理论上输入电阻为无穷大。

图3为根据本发明实施方式的测量输入阻抗的示意图。如图3所示，将一高精度电阻与跟随电路串联，借助微弱信号专用测量仪器锁相放大器SR860测电阻两端电压，然后计算输入阻抗的值，计算公式为：

测得该高压跟随电路在实验室输入电阻实测值约为20GΩ。

在本发明的实施方式中，运放A1选择OPA2140，耐压能力±20V，增益带宽积11MHz，则

取R2＝1kΩ，C2＝140pf，可使电压调理器在宽频调频条件下消除角差且保证工作稳定，不会产生自激振荡。高压功率运放A2选择PA15或者PA88，需要±225V直流电源供电。

优选地，所述变比调节单元103的输入端与所述第一电压跟随单元102的输出端相连接，用于对所述跟随后的分压高压信号U2进行高精度调节。优选地，其中所述变比调节单元采用多盘感应分压器调节变比。图4为根据本发明实施方式的多盘感应分压器的示意图。如图4所示，由于分压器本体的分压比存在一定误差，将误差控制在较小范围比较困难。本专利基于多盘感应分压器原理在高压跟随器中加入电压调节功能，就可以调节整个系统的变比，大大减少分压比误差。感应分压器的基本结构是自耦式电压互感器，绕组由匝数相等且均匀绕制的几段绕组构成。多盘感应分压器由多个单盘感应分压器组成，具有高输入阻抗、低输出阻抗、准确度高、稳定性好、温度系数低、结构简单等特点。在本发明的实施方式中，在本发明的实施方式中，使用六盘感应分压器，即有6个完全一样的电磁绕组：N1、N2...N6，每个绕组有11个抽头：0～10，图中将抽头5和6引出接至下一级，根据互感器原理，U2＇＝0.1·U2，以此类推，U3＝10-6·U2。通过改变抽头引出位置，可以任意调节U3的值。调整范围0.000001·U2≤U3≤0.999999·U2，理论上感应分压器本身的误差为零，电压调节精度可达多盘感应分压器输入端电压的10^-6。

本发明的系统具有高输入阻抗(GΩ级)，并具有变比可调功能，实验验证其准确度等级工频下满足0.01级，1kHz以下满足0.1级。图5为根据本发明实施方式的测量不同频率满足的等级的原理图。如图5所示，TX为被测装置，即本发明实施方式的整个电子分压器，TS为标准装置，其准确度等级为0.002级，是目前国内最高标准。TX与TS一次相连，二次侧取差压，在不同频率下测得电子分压器工频下满足0.01级，1kH以下0.1级，而传统分压器只适用于工频(50Hz)条件下。本发明的技术方案能实现最高160V(RMS)输出，可与分压器本体一起组成电子式分压器，有利于提高分压器技术研究水平，进一步提升关于谐波电压计量测试能力。

图6为根据本发明实施方式的高压信号调理方法600的流程图。如图5所示，所述高压信号调理方法600用于对分压器的高压信号进行高精度调节，使得分压器的分压比可以灵活调节，以减小分压器本体的分压比误差。所述高压信号调理方法600从步骤601处开始，在步骤601通过分压器对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元。

优选地，在步骤602利用第一电压跟随电路将所述初始的分压高压信号U1转化分压高压信号U2，其中所述U1和U2等电位。优选地，其中所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。优选地，其中所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿，所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

其中，BW为运算放大器A1的增益带宽积。

优选地，在步骤603利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节。优选地，其中所述利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节，包括：利用多盘感应分压器对所述分压高压信号U2进行高精度调节。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[系统、组件等]”都被开放地解释为所述系统、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (11)

1.一种高准确度宽频高压信号调理系统，其特征在于，所述系统包括：分压器、第一电压跟随单元和变比调节单元，

所述分压器，输出端与所述第一电压跟随单元的输入端相连接，用于对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元的输入端；

所述第一电压跟随单元，分别与所述分压器的输出端和所述变比调节单元的输入端相连接，用于提高输入阻抗，并将所述初始的分压高压信号U1转化为跟随后的分压电压信号U2，并将所述跟随后的分压电压信号U2传输至变比调节单元，其中所述U1和U2等电位；

所述变比调节单元，输入端与所述第一电压跟随单元的输出端相连接，用于对所述跟随后的分压高压信号U2进行高精度调节。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，所述缓冲电路的输入端与所述分压器的输出端相连接，所述缓冲电路的输出端和跟随电路的输入端相连接，所述跟随电路的输出端还连接所述缓冲电路的低压运放的供电电源的地上，实现了“自举跟随”。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;ap;</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>10</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mo>,</mo> </mrow>

其中，BW为运算放大器A1的增益带宽积。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二电压电压跟随单元，与所述变比单元相连接，用于提高系统的带负载能力。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述变比调节单元采用多盘感应分压器进行高精度调节。

8.一种高准确度宽频高压信号调理方法，其特征在于，所述方法包括：

通过分压器对电压源Ui进行分压，获取初始的分压高压信号U1，并将所述初始的分压高压信号U1传输至第一电压跟随单元的输入端；

利用第一电压跟随电路将所述初始的分压高压信号U1转化分压高压信号U2，其中所述U1和U2等电位；

利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一电压跟随单元的最大输入阻抗为:20GΩ。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一电压跟随单元包括：缓冲电路和跟随电路，在所述缓冲电路单元中电容C2和电阻R2串联后和运算放大器A1并联，用于对电路中的相位进行补偿，所述电容C2和电阻R2取值的计算公式为：

<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;ap;</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>10</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mo>,</mo> </mrow> 1

其中，BW为运算放大器A1的增益带宽积。

11.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述利用变比调节单元对所述分压高压信号U2进行高精度调节，包括：

利用多盘感应分压器对所述分压高压信号U2进行高精度调节。