CN113884739B - 一种宽频电压分压器装置及刻度因数标定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种宽频电压分压器装置及刻度因数标定方法。其中，所述装置包括宽频电压分压器，所述宽频电压分压器包括分压PCB板；所述PCB板包括高压部分和低压部分，高压部分包括高压电阻支路和高压阻容串联支路，低压部分包括低压电阻支路、低压阻容串联支路和低压补偿支路；所述高压电阻支路和所述高压阻容串联支路的比例相等；所述高压阻容串联支路和所述低压阻容串联支路的时间常数一致；所述低压补偿支路包括可调电容和可调电阻，所述可调电容小于电容阈值。
Description
技术领域
本申请涉及高电压测量技术，特别是涉及一种宽频电压分压器装置及刻度因数标定方法。
背景技术
当电力系统输变电设备或附近物体遭受雷击时，雷电过电压会直接或通过感应侵入电力系统，在交流变电站暂态过电压的波形为工频电压和雷电冲击电压的叠加电压，在直流变电站暂态过电压的波形为工频电压和雷电冲击电压的叠加电压，如图1A和图1B所示。如何准确、快速、安全地测量暂态电压对了解和抑制暂态电压的危害有着至关重要的作用，成为目前电力系统中的一个重要问题。近年来电网公司、高等院校等研究单位针对变电站/换流站的暂态电压检测和监视记录开展了大量的研究，开发了各种基于不同原理的暂态电压监测系统，并在电力系统中开展了试用。
现有监测装置的输出电压较大，不能直接进入数据采集单元，因此需要对信号进行二次分压。对于联合电压的准确测量，对二次分压器的性能要求极高，需要可同时测量多种波形，且要求在不同波形下刻度因数的一致性，现有监测装置无法完成。
发明内容
本公开的实施例提供了一种宽频电压分压器装置及刻度因数标定方法，以至少解决现有技术中存在的监测装置的输出电压较大，不能直接进入数据采集单元，因此需要对信号进行二次分压的技术问题。
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种宽频电压分压器装置，包括：所述装置包括宽频电压分压器，所述宽频电压分压器包括分压PCB板；所述PCB板包括高压部分和低压部分，高压部分包括高压电阻支路和高压阻容串联支路，低压部分包括低压电阻支路、低压阻容串联支路和低压补偿支路；所述高压电阻支路和所述高压阻容串联支路的比例相等；所述高压阻容串联支路和所述低压阻容串联支路的时间常数一致；所述低压补偿支路包括可调电容和可调电阻，所述可调电容小于电容阈值。
根据本公开实施例的另一方面，还提供了一种刻度因数标定方法，包括：将下降时间小于预定时间(5ns)的下降沿方波电压源与宽频电压分压装置的输入端相连，进行阶跃波响应试验，调节阻尼电阻的可调部分、高压部分和低压部分的可调电容，补偿对地杂散电容的影响，调整高压部分和低压部分阻容串联之路的参数匹配；利用固定值银云母电容替代通过阻抗分析仪测量的所述可调电容；根据高压部分参数和低压部分参数，标定直流刻度因数和交流刻度因数；根据所述高压部分参数和所述低压部分参数，校准冲击电压刻度因数；根据所述直流刻度因数、所述交流刻度因数和所述冲击电压刻度因数，确定宽频电压测量装置刻度因数并测量不确定度。
在本发明中，宽频分压装置用于测量2kV以下直流电压、工频及谐波电压、冲击电压，可以单独使用，也可以搭配高压分压器使用，输出端连接高速数据采集装置。通过参数匹配，可实现电阻支路比例系数和阻容支路比例系数一致，从而实现不同频率电压下刻度因数的一致性，可用于测量频率覆盖范围宽的直流叠加冲击或者工频叠加冲击的特殊电压波形。通过一种刻度因数的标定方法，实现宽频分压装置在不同电压下刻度因数的准确标定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1A是根据背景技术所述的交流变电站暂态过电压的叠加冲击电压的示意图；
图1B是根据背景技术所述的交流变电站暂态过电压的叠加冲击电压的示意图；
图2是根据本公开实施例所述的宽频电压分压器装置的电路示意图；
图3是根据本公开实施例所述的宽频电压分压器装置的元件布置示意图；
图4是根据本公开实施例所述的刻度因数标定方法的流程示意图；
图5是根据本公开实施例所述的刻度因数标定方法的流程示意图。
图2中的标记说明：Rd－阻尼电阻，R′d－可调阻尼电阻，R1－高压电阻支路电阻，R11—高压阻容支路电阻，C11—高压阻容支路电容，C′11—高压阻容支路可调电容R2—低压电阻支路电阻，R′2－低压电阻支路可调电阻。C21—低压阻容支路电容，R21—低压阻容支路电阻，C22—低压补偿支路电容，R22—低压补偿支路电阻。
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。
根据本申请的第一个方面，提供了一种宽频电压分压器装置。所述装置包括宽频电压分压器，所述宽频电压分压器包括分压PCB板；所述PCB板包括高压部分和低压部分，高压部分包括高压电阻支路和高压阻容串联支路，低压部分包括低压电阻支路、低压阻容串联支路和低压补偿支路；所述高压电阻支路和所述高压阻容串联支路的比例相等；所述高压阻容串联支路和所述低压阻容串联支路的时间常数一致；所述低压补偿支路包括可调电容和可调电阻，所述可调电容小于电容阈值。
具体地，参考图2和图3所示，一种宽频电压分压器装置包括2kV宽频分压器和瞬态波形分析仪。2kV宽频分压器包括金属外壳、输入输出电缆接头、输出电缆、以及分压PCB板。PCB板包括高压部分和低压部分，高压部分包括电阻支路和阻容串联支路，低压部分包括电阻支路、阻容串联支路、补偿支路。瞬态波形分析仪包括高速数据采集卡和波形计算分析及显示装置。高压部分为多个阻容混联模块串联而成，模块数量取决于分压器的额定电压。
测量直流电压时使用电阻分压原理。高低压部分电阻支路和阻容串联支路的比例相等。为改善分压器的动态特性，高压阻容串联支路和低压阻容串联支路的时间常数一致。
低压部分的补偿支路包括可调电容和电阻，可调电容值<100pF。阻尼回路振荡，在高压部分前端需要串联阻尼电阻，阻尼电阻由固定值电阻和可调电阻串联而成，可调阻尼电阻值约为0～200Ω。输出电压支路存在匹配电阻，匹配电阻值为同轴电缆特征阻抗值减去等效低压电阻。为提高分压装置的稳定性，电阻采用高稳定性厚膜电阻，电容采用高频性能优良的银云母电容或者NPO材质的陶瓷电容，可调电容采用调整电极相对面积的方式改变电容量。估算高压阻容支路电容值时，需要考虑高压部分对外壳的杂散电容的影响。为尽量减小杂散电容值，分压器装置的外壳与高压部分的距离不小于20mm。
为减小高压部分对地杂散电容，需要控制PCB板的接地覆铜的面积和尺寸。作为高压分压器的负载，为了不引入额外的测量误差，分压器装置的入口阻抗约为1MΩ//30pF。其阶跃波响应时间约为5ns；对于归一化响应波形，0.42μs～60μs时间范围内电压变化小于±0.5％。
从而，宽频分压装置用于测量2kV以下直流电压、工频及谐波电压、冲击电压，可以单独使用，也可以搭配高压分压器使用，输出端连接高速数据采集装置。通过参数匹配，可实现电阻支路比例系数和阻容支路比例系数一致，从而实现不同频率电压下刻度因数的一致性，可用于测量频率覆盖范围宽的直流叠加冲击或者工频叠加冲击的特殊电压波形。
可选地，所述高压部分由多个阻容混联模块串联而成，所述多个阻容混联模块数量取决于分压器的额定电压；所述高压部分前端串联阻尼电阻，所述阻尼电阻由固定值电阻和可调电阻串联而成。
可选地，所述分压器还包括金属外壳、输入电压支路和输出电压支路；所述输出电压支路存在匹配电阻，所述匹配电阻为同轴电缆特征阻抗值减去等效低压电阻。
可选地，电阻采用厚膜电阻，电容采用银云母电容或者NPO材质的陶瓷电容，所述可调电容采用调整电极相对面积的方式改变电容量。
可选地，所述金属外壳与所述高压部分的距离不小于预定阈值；所述PCB板的接地覆铜的面积和尺寸控制住预定范围内。
可选地，所述宽频电压分压器的阶跃波响应时间约为5ns，对于归一化响应波形，0.42μs～60μs时间范围内电压变化小于±0.5％。
根据本实施例的第二个方面，还提供了一种刻度因数标定方法400，参考图4所示，该方法400包括：
S402:将下降时间小于预定时间(5ns)的下降沿方波电压源与宽频电压分压装置的输入端相连，进行阶跃波响应试验，调节阻尼电阻的可调部分、高压部分和低压部分的可调电容，补偿对地杂散电容的影响，调整高压部分和低压部分阻容串联之路的参数匹配；
S404:利用固定值银云母电容替代通过阻抗分析仪测量的所述可调电容；
S406:根据高压部分参数和低压部分参数，标定直流刻度因数和交流刻度因数；
S408:根据所述高压部分参数和所述低压部分参数，校准冲击电压刻度因数；
S410:根据所述直流刻度因数、所述交流刻度因数和所述冲击电压刻度因数，确定宽频电压测量装置刻度因数并测量不确定度。
具体地，参考图5所示，该方法包括动态响应特性调试，直流电压刻度因数测量，交流电压刻度因数测量，不同上升时间的冲击电压刻度因数测量，不确定度评定。
(1)下降时间<5ns的下降沿方波电压源与宽频电压分压装置的输入端相连，进行阶跃波响应试验，调节阻尼电阻的可调部分、高压部分和低压部分的可调电容，补偿对地杂散电容的影响，调整高压部分和低压部分阻容串联之路的参数匹配。
(2)使用阻抗分析仪测量(1)中确定的可调电容值，使用固定值银云母电容替代。
(3)直流、交流刻度因数标定
1)使用标准直流电压源和测量分压装置的直流刻度因数，调换测量通道，可计算通道误差。
2)使用标准交流电压源测量分压装置在频率为50Hz～2.5kHz范围内的刻度因数。
3)直流刻度因数、交流刻度因数不确定度评定。
(4)冲击电压刻度因数的校准。
1)使用上升时间分别为20μs/4000μs和250μs/2500μs的操作冲击电压标准波源测量分压装置的在操作冲击电压下的刻度因数。
2)使用上升时间分别为0.84μs/60μs和1.54μs/60μs的雷电冲击电压标准波源测量分压装置雷在雷电冲击电压下的刻度因数。
3)冲击电压刻度因数测量不确定度。
(5)2kV宽频电压测量装置刻度因数及测量不确定度。
(6)与高压冲击电压分压器联合使用，在雷电截波电压下进行测量装置的干扰试验，测试分压装置的抗干扰及屏蔽特性。
例如，使用1kV下降沿方波源测量宽频分压装置阶跃波响应特性，调可调电阻和电容值；调试完毕，使用固定电容器值的银云母电容替代可调电容。
使用直流电压标准源表2657A输出100V～2kV的直流电压标定直流刻度因数，分别记录直流标准源表的读数和瞬态电压记录仪的读数。选取10个电压点，每个电压点重复测量10次，计算刻度因数平均值，并进行测量不确定度评定。实测直流电压刻度因数为200.5，测量不确定度0.05％。
使用交流标准电压源5730A输出100V～1000V交流电压标定交流刻度因素，分别记录交流标准源的设置值和瞬态电压记录仪的读数。选取10个电压点，每个电压点重复测量10次，计算刻度因数平均值，并进行测量不确定度评定。实测直流交流刻度因数为200.8，测量不确定度0.1％。
使用冲击电压标准波源KAL1000输出100V～1000V的操作冲击电压波形，波形参数分别为20μs/4000μs、250μs/2500μs，分别记录冲击电压标准波源的设置值和瞬态电压记录仪的读数。选取10个电压点，每个电压点重复测量10次，计算刻度因数平均值，并进行测量不确定度评定。实测直流交流刻度因数为200.6，测量不确定度0.3％。
使用冲击电压标准波源KAL1000输出100V～1000V的雷电冲击电压波形，波形参数分别为0.84μs/60μs、1.56μs/60μs，分别记录冲击电压标准波源的设置值和瞬态电压记录仪的读数。选取10个电压点，每个电压点重复测量10次，计算刻度因数平均值，并进行测量不确定度评定。实测直流交流刻度因数为200.5，测量不确定度0.3％。
由于冲击电压下刻度因数的不确定度大，可涵盖交流和直流电压测量结果的分散性，因此在单独测量直流电压和交流电压的时候可直接使用标定结果，测量冲击电压、直流叠加冲击或交流叠加冲击电压，因此可使用平均刻度因数作为宽频分压装置的刻度因数，刻度因数为200.6，冲击电压测量不确定度较大，覆盖直流电压和交流电压的分散性，因此测量不确定度为0.3％。
表1测量结果
可选地，该方法400还包括：将宽频电压分压装置与高压冲击电压分压器联合使用，在雷电截波电压下进行测量装置的干扰试验，测试所述宽频电压分压装置的抗干扰及屏蔽特性。
可选地，根据高压部分参数和低压部分参数，标定直流刻度因数和交流刻度因数，包括：通过标准直流电压源和测量分压装置的直流刻度因数，调换测量通道，计算通道误差；通过标准交流电压源测量分压装置在频率为50Hz～2.5kHz范围内的交流刻度因数；评定所述直流刻度因数以及所述交流刻度因数。
可选地，根据所述高压部分参数和所述低压部分参数，校准冲击电压刻度因数，包括：根据上升时间分别为20μs/4000μs和250μs/2500μs的操作冲击电压波源，测量分压装置的在操作冲击电压下的第一冲击电压刻度因数；根据上升时间分别为0.84μs/60μs和1.54μs/60μs的雷电冲击电压标准波源，测量分压装置雷在雷电冲击电压下的第二冲击电压刻度因数；校准所述第一冲击电压刻度因数和所述第二冲击电压刻度因数
从而，宽频分压装置用于测量2kV以下直流电压、工频及谐波电压、冲击电压，可以单独使用，也可以搭配高压分压器使用，输出端连接高速数据采集装置。通过参数匹配，可实现电阻支路比例系数和阻容支路比例系数一致，从而实现不同频率电压下刻度因数的一致性，可用于测量频率覆盖范围宽的直流叠加冲击或者工频叠加冲击的特殊电压波形。通过一种刻度因数的标定方法，实现宽频分压装置在不同电压下刻度因数的准确标定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种刻度因数标定方法，其特征在于，包括：
将下降时间小于预定时间5ns的下降沿方波电压源与宽频电压分压装置的输入端相连，进行阶跃波响应试验，调节阻尼电阻的可调部分、高压部分和低压部分的可调电容，补偿对地杂散电容的影响，调整高压部分和低压部分阻容串联之路的参数匹配；
利用固定值银云母电容替代通过阻抗分析仪测量的所述可调电容；
根据高压部分参数和低压部分参数，标定直流刻度因数和交流刻度因数；
根据所述高压部分参数和所述低压部分参数，校准冲击电压刻度因数；
根据所述直流刻度因数、所述交流刻度因数和所述冲击电压刻度因数，确定宽频电压测量装置刻度因数并测量不确定度；
所述装置包括宽频电压分压器，所述宽频电压分压器包括分压PCB板；
所述PCB板包括高压部分和低压部分，高压部分包括高压电阻支路和高压阻容串联支路，低压部分包括低压电阻支路、低压阻容串联支路和低压补偿支路；
所述高压电阻支路和所述高压阻容串联支路的比例相等；
所述高压阻容串联支路和所述低压阻容串联支路的时间常数一致；
所述低压补偿支路包括可调电容和可调电阻，所述可调电容小于电容阈值；
所述高压部分由多个阻容混联模块串联而成，所述多个阻容混联模块数量取决于分压器的额定电压；
所述高压部分前端串联阻尼电阻，所述阻尼电阻由固定值电阻和可调电阻串联而成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将宽频电压分压装置与高压冲击电压分压器联合使用，在雷电截波电压下进行测量装置的干扰试验，测试所述宽频电压分压装置的抗干扰及屏蔽特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据高压部分参数和低压部分参数，标定直流刻度因数和交流刻度因数，包括：
通过标准直流电压源和测量分压装置的直流刻度因数，调换测量通道，计算通道误差；
通过标准交流电压源测量分压装置在频率为50Hz～2.5kHz范围内的交流刻度因数；
评定所述直流刻度因数以及所述交流刻度因数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述高压部分参数和所述低压部分参数，校准冲击电压刻度因数，包括：
根据上升时间分别为20μs/4000μs和250μs/2500μs的操作冲击电压波源，测量分压装置的在操作冲击电压下的第一冲击电压刻度因数；
根据上升时间分别为0.84μs/60μs和1.54μs/60μs的雷电冲击电压标准波源，测量分压装置雷在雷电冲击电压下的第二冲击电压刻度因数；
校准所述第一冲击电压刻度因数和所述第二冲击电压刻度因数。
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