CN114062750B - 一种用于输出二次电压的高压有源分压器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于输出二次电压的高压有源分压器及方法，属于电测量技术领域。本发明的有源分压器，包括：高压臂电容，将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；电流电压变换单元，将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；升压单元，对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。本发明采用有源补偿原理，可极大减小低压向高压变换时，由于负荷带来的负荷误差，所有电路供电不超过15V，具有成本低、操作安全性高的特点，发明可提供内置固定值电容器，可也外接电容器使用，使用方便。

Description

一种用于输出二次电压的高压有源分压器及方法

技术领域

本发明涉及电测量技术领域，并且更具体地，涉及一种用于输出二次电压的高压有源分压器及方法。

背景技术

电容分压器是高电压测量中常用的测量设备。传统无源电容分压器采用多只电容串联形式，二次连接表计，由于表计的输入阻抗影响，分压器的整体分压比会发生变化，为了获得更好的输出性能，可采用有源电子电路与无源分压器本体相结合使用的方式。

第一种方案是在分压器的输出与后端负载间增加一只电压跟随器，跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，可显著提高的测量准确性。此类型分压器的典型代表是瑞士哈弗莱公司生产的电子分压器4861。

第二种是基于零磁通电流互感器原理，将一次高压电容电流与二次电容电流相比较，并通过检测铁芯中磁通状态，补偿输出电压。该类型分压器的典型产品是加拿大Measurement International的2502A有源分压器。

上述两种有源分压器产品均采用压缩气体电容器作为高压臂电容，低压臂采用低压气体电容器，测量准确度在100ppm到20ppm之间，一般用于电压互感器的误差校验，以及低功率因数下变压器、电抗器等设备损耗的测量中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低，操作安全性高，且可用于对相位误差要求较高的低功率因数下的功率测量或电压互感器误差校验的有源分压器，而提出了一种用于输出二次电压的高压有源分压器，包括：

高压臂电容，所述高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

电流电压变换单元，所述电流电压变换单元用于接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

升压单元，所述升压单元用于接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。

可选的，升压单元还用于根据输出的二次电压，输出反馈信号。

可选的，升压单元的升压变比若为N，则输出绕组采用N段导线绞合绕制，依次首尾串联，在接地的最后一段的高电位端取电压作为反馈信号连接至输入运算放大器的同相端。

可选的，高压有源分压器还包括：

补偿单元，所述补偿单元用于接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压至升压单元。

可选的，升压单元为具有100V以上工作电压的集成芯片或分布元件构成的升压电路。

可选的，电流电压变换单元，包括：两级运算放大器，一级信号反馈模块，二级信号反馈电路；

所述两级运算放大器用于接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，将所述接收的一次电容电流转换为初级电压；

所述一级信号反馈模块以及二级信号反馈模块将初级电压传输至升压单元。

可选的，电流电压变换单元中，高压臂电容器CH一端连接输入一次电压，另外一端连接于OP1的反相输入端，电流电压变换电容C3、C4……Cn的一端连接于OP1反相端，另外一端连接于增益为1的OP3、OP4……OPn输出端，增益为1的OP3、OP4……OPn的输入端分别与开关S1，S2和S3连接；R3和R4串联成分压器，R3一端与OP6的输出端连接，R4一端接地，OP6的反相端通过陷波器模块与R3和R4分压器中间连接， OP1同相端接地，R1，R2和C2构成的T型网络，一端与OP1的反相端连接，另外一端与OP6输出连接。

可选的，并联多路一级信号反馈子模块，每路一级信号反馈子模块包括串接的开关、增益为1的输入运算放大器和电流电压变换电容。

可选的，电流电压变换电容为如下中的任意一种：固定值的电容或外接电容器。

可选的，一级信号反馈模块还包括与多路一级信号反馈子模块并联的电容-电阻T型网络。

可选的，所述二级信号反馈模块包括陷波器，陷波器的中心频率与一次电压的工作频率相同。

本发明还提出了一种使用高压有源分压器输出二次电压的方法，所述方法包括：

通过高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

通过电流电压变换单元接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

通过升压单元接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。

可选的，方法还包括：根据升压单元输出的二次电压，输出反馈信号。

可选的，方法还包括：

通过补偿单元接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压。

本发明采用有源补偿原理，可极大减小低压向高压变换时，由于负荷带来的负荷误差。

附图说明

图1为本发明有源分压器的结构图；

图2为本发明有源分压器的原理图。

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。

本发明提出了一种用于输出二次电压的高压有源分压器，如图1所示，包括：

高压臂电容，所述高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

电流电压变换单元，所述电流电压变换单元用于接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

所述电流电压变换单元中，高压臂电容器CH一端连接输入一次电压，另外一端连接于OP1的反相输入端，电流电压变换电容C3、C4……Cn的一端连接于OP1反相端，另外一端连接于增益为1的OP3、OP4……OPn输出端，增益为1的OP3、OP4……OPn的输入端分别与开关S1，S2和S3连接；R3和R4串联成分压器，R3一端与OP6的输出端连接，R4一端接地，OP6的反相端通过陷波器模块与R3和R4分压器中间连接， OP1同相端接地，R1，R2和C2构成的T型网络，一端与OP1的反相端连接，另外一端与OP6输出连接；

R5一端与OP6输出端连接，R5另外一端与OP7的同相端连接，OP7的输出端通过R6反馈连接于OP7的反相端，通过反馈构成电压跟随器；

跟随器输出端连接于R7，R7另外一端连接于OP8的反相端，R9的一端连接于OP8的反相端，R9的另外一端连接于OP8的输出端，C5和R10并联，一端连接于OP8的输出端，一端连接于升压器Tr1的输入端。

电压跟随器输出端连接于R8，R8的另外一端连接于开关S4输入端，增益为1的OP9输入端连接于R8和开关的连接处，OP9输出连接于升压器Tr1输入端，开关的其他输出端分别连接于不同的可调电阻，可调电阻另外一端接地；

升压单元，所述升压单元用于接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。

其中，升压单元还用于根据输出的二次电压，输出反馈信号。

其中，声压单元的升压变比若为N，则输出绕组采用N段导线绞合绕制，之后依次首尾串联，在接地的最后一段的高电位端取电压作为反馈信号连接至OP4的同相端。

其中，高压有源分压器还包括：

补偿单元，所述补偿单元用于接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压至升压单元。

其中，升压单元为具有100V以上工作电压的集成芯片或分布元件构成的升压电路。

其中，流电压变换单元为如下中的任意一种：固定值的电容或外接电容器。

本发明涉及的电流电压变换单元原理如图2中1号区域，图2中C3，C4直到Cn的一端与OP1的同相端连接，另外一端与单刀多掷开关S1连接，S1另外一端与OP6输出端连接。在每个电容与S1的连接间分别引线与单刀多掷开关S2连接。

R1，R2和C2构成的T型网络，一端与OP1的反相端连接，另外一端与OP6输出连接。该电路，可以保证直流信号通过R1和R2形成反馈回路，但对于交流信号，整体呈现极大阻抗，并不会给连接的电容器带来过大的等效介质损耗。

OP1的输出与OP6同相端连接，OP1的同相端接地，R3和R4构成分压器，一端与OP6的输出连接，另外一端接地，OP6的反相端通过陷波器模块与R4和R4分压器中间连接。陷波器中心频率与一次电压的工作频率保持一致，这样在测量工频信号时，该处对于反馈信号呈现极大阻断作用，相应的OP6构成的反馈电路呈现极大放大增益，对于OP1和OP6以及电容C4……Cn构成的回路，在工频条件下呈现较高环路增益，极大减低环路增益对电流电压转换的影响，使转换电压只与转换电容有关系。

设掷开关S1，使C4接入回路，当一次高压电容器电流IC经输入端输入时，电路中会产生一个与IC大小相等，方向相反的电流ICi，并流经C4，在C4两端产生电压，S2开关与S1联动，置于与C4连接的位置，C4两端电压经S2输出。

其中，R1和R2选5MΩ，C1为1μF。

C3……Cn根据需要选择，典型的如100nF，500nF。

其中Bu1和Bu2为外接电容器同轴端子，当开关切换至该位置上，可使用外置电容器。

OP1和OP6可以选用双运放集成电路，如OPA2140。

陷波器模块可以选用MKE-08A，为50Hz陷波器模块。

R3和R4可以选择20kΩ和2kΩ。

本发明涉及的升压单元原理，如图2中2区域，其中R7，R9和OP8构成输入信号与反馈信号差值电压的放大电路，R7与前端电压输出连接，与R9串联，中间连接点与OP8反相端连接，R10与OP8输出连接。

OP8输出与C5和R10构成的并联电路串联，C5和R10用于隔离OP8输出直流分量。并联电路与升压器输入连接。

升压器输入绕组另外一段连接至补偿电压，升压器输出绕组一端接地，另外一端作为输出端子。

升压器在设计上，若升压变比为N，则输出绕组采用N段导线绞合绕制，之后依次首尾串联，在接地的最后一段的高电位端取电压作为反馈信号连接至OP8的同相端。这样，当升压器连接负载时，由于负荷电流在内阻上产生的压降，可以由反馈信号反馈至OP8同相端，通过电路处理后，对该误差进行补偿。

其中，R7和R9选1kΩ和10MΩ。

C5选择1000μF，R10选择50Ω。

OP8可以选用OPA140。

图2中3区域为输出信号补偿，有R8和多个可调电阻构成，经S4单刀多掷开关连接，不同电位器分别对应不同的测量电容（C3，C4……Cn）对应的初级采样电路误差。

其中，R8选100kΩ。

可变电阻可以选择100到50Ω。

1、2、3之间通过由R5，R6和OP7构成的电压跟随器连接。

其中，R5，R6可以选择470Ω。

OP7可以选用OPA140。

除了升压器高压输出工频输出外，跟随器输出可作为低压输出宽频输出。

本发明还提出了一种使用高压有源分压器输出二次电压的方法，包括：

通过高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

通过电流电压变换单元接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

通过升压单元接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出；

通过补偿单元接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压。

其中，根据升压单元输出的二次电压，输出反馈信号。

本发明采用有源补偿原理，可极大减小低压向高压变换时，由于负荷带来的负荷误差，所有电路供电不超过15V，具有成本低、操作安全性高的特点，发明可提供内置固定值电容器，可也外接电容器使用，使用方便。

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 (9)

1.一种用于输出二次电压的高压有源分压器，其特征在于，所述高压有源分压器，包括：

高压臂电容，所述高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

电流电压变换单元，所述电流电压变换单元用于接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

所述电流电压变换单元，包括：两级运算放大器，一级信号反馈模块，二级信号反馈模块；

所述两级运算放大器用于接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，所述两级运算放大器包括：运算放大器OP1和运算放大器OP6；其中，高压臂电容器CH一端连接输入一次电压，另外一端连接于运算放大器OP1的反相输入端；运算放大器OP6的反相端通过陷波器模块与电阻R3和电阻R4分压器中间连接，运算放大器OP1同相端接地；

所述一级信号反馈模块以及二级信号反馈模块将初级电压传输至升压单元；

在所述一级信号反馈模块中，电流电压变换电容C3、C4、Cn的一端连接于运算放大器OP1反相端，另外一端连接于增益为1的运算放大器OP3、运算放大器OP4和运算放大器OPn输出端，增益为1的运算放大器OP3、运算放大器OP4和运算放大器OPn的输入端分别与开关S2，S3和S1的一端连接，S2，S3和S1的另一端连接运算放大器OP6的输出端；

在所述二级信号反馈模块中，电阻R3和电阻R4串联成分压器，电阻R3一端与运算放大器OP6的输出端连接，电阻R4一端接地，

所述两级运算放大器并联多路一级信号反馈子模块，每路一级信号反馈子模块包括串接的开关、增益为1的输入运算放大器和电流电压变换电容；

所述一级信号反馈模块还包括与多路一级信号反馈子模块并联的电容-电阻T型网络，其中，电阻R1的一端与运算放大器OP1的反相端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端连接，电容C2的一端与电阻R1的另一端和电阻R2的一端连接，并且电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端与运算放大器OP6的输出端连接，从而构成T型网络；

所述二级信号反馈模块包括陷波器模块，陷波器模块的中心频率与一次电压的工作频率相同；

升压单元，所述升压单元用于接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。

2.根据权利要求1所述的高压有源分压器，其特征在于，所述升压单元还用于根据输出的二次电压，输出反馈信号。

3.根据权利要求2所述的高压有源分压器，其特征在于，所述升压单元的升压变比若为N，则输出绕组采用N段导线绞合绕制，依次首尾串联，在接地的最后一段的高电位端取电压作为反馈信号连接至输入运算放大器的同相端。

4.根据权利要求2所述的高压有源分压器，其特征在于，所述高压有源分压器还包括：

补偿单元，所述补偿单元用于接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压至升压单元。

5.根据权利要求1所述的高压有源分压器，其特征在于，所述升压单元为具有100V以上工作电压的集成芯片或分布元件构成的升压电路。

6.根据权利要求1所述的高压有源分压器，其特征在于，所述电流电压变换电容为如下中的任意一种：固定值的电容或外接电容器。

7.一种使用如权利要求1-6任意一种高压有源分压器输出二次电压的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过高压臂电容接收电压互感器所施加的一次电压，并将施加在所述高压臂电容上的一次电压转换为一次电容电流，以及将所述一次电容电流传输至电流电压变换单元；

通过电流电压变换单元接收所述高压臂电容传输的一次电容电流，并将所述接收的一次电容电流转换为初级电压，以及将初级电压传输至升压单元；

通过升压单元接收所述电流电压变换单元传输的初级电压，并对所述接收的初级电压进行升压以生成二次电压，并对所述二次电压进行输出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据升压单元输出的二次电压，输出反馈信号。

9.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

通过补偿单元接收升压单元输出的反馈信号，根据所述反馈信号以确定所述升压单元所输出的二次电压的误差，针对所述二次电压的误差进行补偿以输出二次电压的补偿电压。

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