弱输出电压传感器误差校验系统研制

刘俭，姜春阳，周峰，殷小东，刘浩，李敏

(1.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074； 2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，南昌 330000)

0 引 言

随着智能电网的不断建设，国网正大力推进一二次电气设备的深度融合，以实现馈线状态监测控制，故障定位处理等功能，提高配网自动化水平。作为配网一二次融合中的重要设备-交流电压传感器应同时满足测量和保护的要求，且兼顾小型化，可与柱上开关等一次设备进行集成融合。目前正在逐步推广应用的一二次融合电压传感器均为小信号输出相关技术要求，一二次融合交流电压传感器的输出电压为3.25/3 V。相较而言，各省公司及国家高电压计量站等计量机构的标准电压互感器输出均为100 V或100/3 V。为建立弱输出电压传感器误差校验系统，实现其量值溯源，文中以同样为弱输出的有源V/I转换电容分压器作为标准器，其具有优良频率特性和较高测量准确度，并对后侧负载无高输入阻抗的要求。但其额定输出为5 V反相电压信号[1-3]。为使标准器和传感器输出电压匹配，使双通道误差测试单元工作在最佳性能状态，论文设计了采用双级电磁线圈进行反馈补偿的精密电压匹配单元，以实现标准器输出信号的反相和按比例分压，并对其进行误差分析和测试。最终建立了包含有源标准器、精密电压匹配单元和双通道误差测试单元在内的弱输出传感器误差校验系统，完成了不同原理的弱输出电压传感器误差测试。

1 弱输出电压传感器误差校验系统

图1为弱输出电压传感器误差校验系统示意图，包括有源标准器、精密电压匹配单元和双通道高精度误差测试系统。

图1 弱输出电压传感器误差校验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of error calibration system for weak output voltage sensor

有源标准器为弱输出有源V/I转换原理的电容分压器，其分压点为0电位，且对后侧负载无输入阻抗的要求。有源电容分压器额定输出电压为5 V，且有源V/I转换原理决定其输出为反相电压，弱输出一二次融合电压传感器的输出为3.25/3 V，而基于Labview和NI PXI-5922的双通道误差测试系统的两通道输入电压比例控制在0.5～1.0之间，以达到其最佳性能，此时其测量误差小于0.5 ppm。为实现弱输出传感器与有源标准器输出电压间的匹配，设计精密电压匹配单元对有源电容分压器电压进行反相和比例转换，配合高精度双通道误差测试系统实现弱输出一二次融合电压传感器的误差校验。

2 有源V/I转换标准电容分压器

采用基于有源V/I转换原理的电容分压器作为标准器，其原理图如图2所示，高低压臂电容分别为压缩气体标准电容器和低损耗固体介质电容器。配合相应的辅助电路共同完成电压的准确测量[4-8]。

图2 有源V/I转换标准电容分压器原理图Fig.2 Schematic diagram of the active V/I conversion standard capacitor voltage divider

相比于传统电容分压器，基于有源V/I转换原理的电容分压器屏蔽电位为地电位，其与高低压臂电容连接点的0电位相同，不会产生由泄漏电流引起的附加误差，且后端负载不会等效并联在低压臂电容上，从而对分压器分压比造成误差。

其自身的比差和角差可以通过式(1)和式(2)进行计算。

(1)

(2)

其中α1、α2为电压U1和U2下高压电容电容值的电压系数；RH和RL分别为高、低压臂电容的并联等效阻抗。

3 精密电压匹配单元

3.1 基本原理

由于有源标准器额定为反相5 V信号输出，因此需设计精密电压匹配单元以使弱输出传感器的输出与标准器输出匹配。精密电压匹配单元如图3所示。精密电压匹配单元通过C1将V1信号进行等比例降压，因此转换单元的输出Vo也将受到反馈回路的调节而与标称值之间达到极小的误差。反相信号V1与输入信号Vi之间的修正量Vf通过反馈注入Vi，使得V1与期望信号之间具有极小的误差，从而使Vo与Vi之间具有精确的比例电压增益。

图3 精密电压转匹配单元原理图Fig.3 Schematic diagram of accurate voltage conversion matching unit

3.2 误差分析

对于主回路而言，G2的存在使得主回路开环电压增益大大提高。设主回路运放的开环电压增益分别为AV1和AV2，则主回路引入的误差由Δ3减小为Δ4。

其中：

(3)

(4)

一般运放的开环电压增益为100 dB甚至更高，选取合适的电压增益，可以使由开环电压增益引入的误差忽略不计。

在由主回路和反馈回路构成的电路中，输入和输出可用式(5)表示：

(5)

设线圈C1和C2电磁转换误差分别为ε1、δ，且C2的转换比例为K，则：

V2=V1(1+ε1)

(6)

(7)

线圈C1二次分接抽头与电压转换单元输出Vo之间的误差为ε2，且其比例为m，则：

Vo=mV2(1+ε2)

(8)

根据式(5)～式(8)，电压转换单元输出Vo和Vi之间的关系可以用式(9)来计算：

(9)

(10)

(11)

将式(10)和式(11)代入式(9)有：

(12)

因此，Vo和Vi之间的关系可以推导如下：

(13)

精密电压匹配单元的输出和输入之间的误差为：

(14)

由式(14)可知，选取合适的参数G1，精密电压匹配单元的输出信号误差可近似通过为ε2和δ表示。通过对反馈线圈合理电磁设计，可以使精密电压匹配单元具有极高的精度。

3.3 精密电压匹配单元设计及性能测试

线圈C1具有多组分接抽头，其将反相信号进行比例降压并将反相信号提供至反馈回路。线圈C2提取输入信号和输出信号的差压并将其放大G1倍后反馈至运放Vi输入端。线圈C1和线圈C2均采用双级感应结构，如图4所示。

图4 梯度屏蔽双级结构线圈原理图Fig.4 Schematic diagram of gradient shielded two-stage structure coil

一次励磁绕组和比例绕组具有相同的匝数且并联在输入电压上，设计梯度屏蔽结构减小比例绕组泄漏电流及容性误差，屏蔽电位由励磁绕组提供。二次绕组为多组分列绕组，具有相同匝数且和一次比例绕组绕在第一级和第二级铁芯上。线圈的第一级空载压降加在第二级的一次，减小第二级空载压降，整体误差[9]可以表示为：

ε=-Z1eZ1Ym1Ym2

(15)

式中Z1e和Z1分别为第一级和第二级一次阻抗；Ym1和Ym2分别为第一级和第二级励磁导纳。

综合考虑铁芯材料励磁特性、尺寸和输入电压等因素，对线圈的铁芯截面积、磁感应强度和一二次匝数进行设计[10]。线圈C1的铁芯分别采用硅钢片和坡莫合金材料，相应的磁感应强度为1.0 T和0.4 T，线圈C2的原理及结构与线圈C1类似。

采用实验室单盘感应分压标准器完成精密电压转换单元整体误差测试，如图5所示。不同分压比下，有源标准器单级比差变化不超过0.7 ppm，角差变差不超过0.25 urad。对精密电压匹配单元的误差测量结果如图6所示，精密电压匹配单元的比差在不同比例下不超过21.8 ppm，角差约为14.1 urad。

图5 精密电压匹配单元测试实物图Fig.5 Test picture of precision voltage matching unit

图6 精密电压匹配单元误差测试结果Fig.6 Test results of precision voltage matching unit

4 弱输出电压传感器误差校验

通过研制高精度有源标准器，精密电压匹配单元，配合双通道误差测试单元[11]，完成弱输出电压传感器误差校验系统研制，如图7所示。

图7 误差校验系统Fig.7 Error calibration system

采用研制的误差校验系统对10 kV电容式及阻容式等弱输出电压传感器进行2%、5%、20%、100%、120%和190%额定电压下的误差校验[12-14]。图8所示为弱输出电压传感器#1(电容分压式)额定负荷(2 MΩ)和下限负荷(0 VA)条件下三相误差校验结果。图9所示为弱输出电压传感器#2(阻容分压式)额定负荷(4.8 MΩ)和下限负荷(0 VA)条件下三相误差校验结果。测试结果表明，额定负荷下电压传感器#1比差不超过0.5%，角差不超过8′；电压传感器#2比差不超过0.15%，角差不超过：-10′。#1与#2均满足0.5级传感器不同电压百分数下的误差限值要求。不同负荷下，传感器在不同电压等级下的误差变化趋势相同；且电压传感器#2在不同电压等级下比差变化远好于电压传感器#1。

图8 电压互感器#1不同负荷下三相误差测试结果Fig.8 Three-phase error test result of voltage transformer # 1 under different loads

图9 电压互感器#2下限负荷下三相误差测试结果Fig.9 Three-phase error test result of voltage transformer # 2 under different loads

5 结束语

文中以具有良好测量准确度和带载能力的有源V/I转换电容分压器为标准器，建立弱输出电压传感器误差校验系统。为实现标准器和电压传感器的输出电压匹配，设计了具有反相和比例分压功能的精密电压匹配单元，通过对精密电压匹配单元进行误差分析、参数设计和测试，其比差小于21.8 ppm，角差小于14.1 urad。最后配合高精度双通道误差测试系统，建立了适用于弱输出电压传感器的误差校验系统，并对不同原理的电压传感器进行了误差校验。文中所设计的精密电压转换单元将提高有源比例标准的适用性，研制的误差校验系统对于弱输出传感器的量值溯源和误差校验具有工程实用意义。