基于电阻分压与电子开关的中压直流自校准电压传感器

潘 攀，曹芷馨，史嘉昭，贾海恩，吴宇凡

(西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

第二代新型舰载直流电力系统采用电力电子技术,相比于第一代交流电力系统,具有续航强、噪声低、隐身性好的优势,为高能武器发射提供了稳定的能源供应,并允许高频次大功耗弹箭发射行为,增强了舰船战斗力[1-5]。因此多国舰船也在推广应用第二代新型舰载直流电力系统。同时,为了确保系统安全、高效运行,针对kV级别中压直流电力系统的特性,对电压进行监测是十分必要的。

目前常用的直流电压测量方法按照原理可分为霍尔效应法[6-9]、磁通门法[6,10]、光学法[6,11-15]和分压法等[6,16-18]。Lee等[11]设计了一款基于霍尔效应的传感器,其精度可达到0.5级;Chen[13]设计并测试了一种光纤电压传感器,其响应姿态与测量电压近似线性,传感器输出与传统电压互感器输出之间的相对误差为0.8%。现阶段基于分压法的电子式电压传感器因成本低廉与技术成熟度高而被广泛应用于直流电压监测。但是分压器承压器件在长时间强电场及舰船复杂电磁环境作用下容易老化,导致分压器分压比漂移,需要定期人工校准,增加了使用成本。同时,基于电阻分压法的电子式电压传感器存在难以同时兼顾测量范围与测量准确度等级的缺陷。因此文中提出一种适用于舰载电力系统的自校准中压直流电压传感器方案,并开发出配套的直流电压传感器样机。

1 自校准电压传感器方案设计

自校准电压传感器采用电阻分压法实现电压测量,在传统直流电阻分压器的基础上进行针对性改进,整体结构框图如图1所示。

图1 中压电压传感器结构框图Fig.1 The structure diagram of medium-voltage voltage sensor

自校准电压传感器主要由电阻分压器、保护电路、低压测量电路以及通信电路等部分组成。自校准电阻分压器由3个等效电阻RH,RC和RN串联组成。其中RH与一次侧高电压相连接,RN与地线相连,RC串联在RH和RN之间。相比于传统电阻分压器,自校准电阻传感器增加了一个电子开关K,电子开关K与电阻RC并联,电子开关受微处理器控制。

在正常测量情况下,一次侧高电压VH经直流电阻分压器得到二次侧低电压VN,二次侧电压经过保护电路、信号调理电路输入至 ADC,转换为数字信号后传输至微处理器,数字信号在微处理器内部按照分压公式即式(1)进行计算即可得到被测高电压数值,通信电路将计算结果通过通讯接口进行传输,即完成对一次侧高电压的测量过程。

(1)

式中:VH为分压器一次侧所接被测高电压;RH为分压器高压侧电阻;RC为分压器中间电阻;RN为分压器接地侧电阻;VN为分压器二次侧输出低电压。

在分压器长时间工作后,其高压侧电阻分压元器件由于强电场、磁场,甚至电晕放电及环境参数等原因导致其老化,电阻分压器的分压比随之变化,以标称分压比进行测量时会出现测量误差。此时,传感器的工作模式转换为自校准模式,微处理器会识别一次侧电压是否稳定并且是否处于额定状态。如满足条件,即量化为一次侧电压波动σ小于给定的值, 电子开关K则会在微处理器的控制下闭合与断开,当电子开关K断开时,电压计算满足式(1);当电子开关K闭合,电压计算满足式(2)。

(2)

联立式(1)与式(2),在自校准操作时严格控制一次侧电压稳定,因此可以消去式(1)与式(2)中VH,可得到式(3)。由式(3)计算可得分压器高压臂电阻校准值,根据校准值即可更新微处理器内分压器分压比,从而完成电压传感器的自校准工作。

(3)

式中:RHJ为分压器高压臂电阻校准值;VN为电子开关K断开时二次侧低压输出值;V′N为电子开关K闭合时二次侧低压输出值;RN为低压二次侧接地电阻阻值;RC为低压二次侧中间电阻阻值。

2 自校准电压传感器样机制造

依据中压直流电压系统工况,设计额定测量电压为10 kV,测量范围满足0～20 kV的自校准中压直流电压传感器样机。

2.1 硬件设计

直流电压传感器样机结构方案如图2所示,传感器结构上分为高压均压环、绝缘臂和底座。高压均压环和绝缘臂是常见的分压器外部结构。高压电阻RH置于高压绝缘套管内,采用绝缘油进行封闭,避免外界湿度对仪器本身产生影响,同时可以对高压电阻RH进行冷却,提高测量准确度。低压臂电阻RC,RN与电子开关置于分压器底座内,通过环氧树脂材料进行灌封,降低温湿度对电阻的影响。保护电路、信号采集电路等集成于电路板上,内部通过顶板开孔和分压器底部进行电气相连,同时在分压器底部侧面设置光纤端子进行信号输出。

直流电阻分压器需要合理确定分压电阻阻值。一方面,当电压恒定时分压器电阻阻值过小会增加电阻本身的热损耗,导致分压电阻阻值不稳,影响分压比,增加测量误差;另一方面,电阻阻值过大时,由于电流过小而使可能产生电晕放电和绝缘支架漏电的影响增强,从而导致测量误差。综合考虑后,最后选定的分压器电阻阻值为RH=100 MΩ,RC=3 MΩ,RN=30 kΩ,详细参数见表1。

电子开关作为自校准功能的核心器件,对响应速度、导通电阻及泄露电流等多方面也有要求。在引入电子开关后,不能对电压传感器测量精确度等级造成影响。结合电子开关的应用场景,最终选择SHV12-1A85-78L4K簧片高压继电器作为电子开关,其具体参数指标如表2所示。

表2 SHV12-1A85-78L4K详细参数Table 2 Detailed parameters of SHV12-1A85-78L4K

为进一步提高测量装置的准确度等级,调理电路设计为多档调理模式,低压测量电路原理图如图3所示。待采样模拟电压信号分为3路分别调理后进入信号采集及处理电路。信号采集及处理电路中模数转换器具有同步采样3路信号的功能。微处理器接收到采集单元同步采样的3路数据,根据处理后初步得到被测高电压所处幅值范围选择相应档位的一路信号进行被测高电压数值计算以及电阻分压器高压臂电阻阻值的校准。

图3 低压测量电路原理图Fig.3 Schematic diagram of low voltage measuring circuit

2.2 自校准算法设计

根据自校准电压传感器方案可知,当分压器高压臂电阻出现老化时,微处理器内部所存储的分压比与实际分压比存在差异,导致测量产生误差,电压传感器准确度降低。此时,微处理器通过控制电子开关进行自校准操作。为了进一步保证自校准后的分压比贴近分压器真实分压比,在自校准流程实施过程中采取一定优化措施。低压测量电路原理图如图3所示。

由式(3)可知,当传感器结构确定后,电阻分压器高压臂电阻阻值校准数值RHJ与分压器低压侧输出电压VN与V′N有关。由于ADC存在有效位数的限制,故分压器低压侧输出电压VN与V′N数值越大则后端引入的相对误差则越小。故将自校准的启动条件设置为被测电压最大时进行,即传感器的额定电压10 kV。

由自校准理论方案可知,在联立方程过程中,需要确保被测电压VH在开关断开与闭合过程中保持一致。在实际情况下,直流系统存在纹波或其他电压波动的情况,要求电压数值严格一致较为困难,故结合实际要求被测电压波动小。进行电阻分压器高压臂电阻组织RH的具体校准流程如图4所示,自校准流程细节说明为:

图4 分压器电阻RH校准流程图Fig.4 Flow chart of voltage divider resistor RH calibration

1)保持电子开关K关断,在3倍电子开关K切换与数据采集周期内连续多次采集低压侧电压VN并计算出被测电压VH,计算并判断VH的2倍标准差δ(VH)是否小于允许偏差λ,根据判断结果决定是否进行电阻分压器高压臂电阻RH校准。

2)若δVH>λ,说明此时被测电压不稳定,不宜进行分压器高压臂电阻校准,重复步骤1)。

3)若δVH≤λ,表明此时被测电压可能处于稳定状态,微处理器控制电子开关K的导通和关断,实现低压侧电压的分时采样,计算分压器高压臂电阻RH的校准值RHJ;并重复该步骤多次,求取分压器高压臂电阻校准值RHJ的均值RHJ0。满足判断条件时,选取校准均值RHJ0作为新的分压器高压臂电阻值;若不满足判断条件,则说明在校准过程中,被测电压不稳定,校准失败,需要重新进行校准,重复步骤1)。

3 试验设计与试验结果

3.1 试验方案设计

为对中压直流电压传感器的性能进行检验,确保中压直流电压传感器最终性能达到设计与研发所预期的标准要求,针对中压直流电压传感器样机分别进行基本准确度试验、自校准试验。两个试验在试验室环境下进行,环境温度控制在25 ℃,相对湿度为45%,大气压力为96.00 kPa。

3.1.1 基本准确度试验

基本准确度试验所采用的试验方法为比较法。该方法是将所研制的电压传感器样机与精度更高的基准电压传感器的测量结果进行比较,并计算电压误差,原理图如图5所示。在现实情况下,基准电压传感器一般由标准互感器与高精确度采集单元构成,标准互感器与高精度采集单元的基本信息如表3所示。

表3 仪器设备信息Table 3 Equipment informations

图5 比较法试验线路布置图Fig.5 Wiring arrangement of comparative method

3.1.2 自校准试验

自校准试验试验的目的是检验传感器自校准功能所计算出的RH校准值与真实值的相近程度。理论上应将通过自校准算法所计算出的校准值RHJ与电阻RH真实值进行比较,但由于电阻RH已经被安装于直流分压器中,其真实值难以获取,并且与其相连的RC,RN与电子开关K都会影响RH阻值的测量。因此,通过将自校准值RHJ与其自身进行比较从而判断自校准算法的有效性。理论上,传感器的额定测量电压为10 kV,为了提高自校准操作的准确性,在程序设计时自校准操作只会在额定测量电压10 kV下进行,考虑到实际情况,传感器中缺少非线性器件,通过在1 kV和10 kV下强制执行自校准操作,记录分压器二次侧输出电压,可以进一步验证自校准的有效性。

3.2 试验结果

3.2.1 基本准确度试验结果

按照基本准确度试验方法,分别选取额定直流电压百分数的 10%、20%、80%、100%、120%、150%、170%与 200%进行试验,每次测量重复 10 次,测量结果如图6和表4所示。

表4 基本准确度测试结果Table 4 Results of basic accuracy experiments V

图6 比较法测试数据图Fig.6 Data diagram of comparative experiments

根据图6和表4中数据可知,中压直流电压传感器样机电压测量试验结果具有良好的一致性。当测量电压小于10 kV 时,中压直流电压传感器样机的最大标准偏差小于0.12 V。即使测量电压达到20 kV,最大标准偏差也只有0.50 V,中压直流电压传感器样机的重复性误差小于0.005%,这意味着传感器的随机误差很小,几乎可以忽略不计。从表4中还可以发现,中压直流电压传感器样机的结果通常比参考值大,这是由于RH的固有误差造成的,电阻RH的准确度等级只达到0.1 级。

3.2.2 自校准试验结果

在一次侧电压1 kV和10 kV条件下,执行自校准操作,电子开关 K 断开与闭合时,分压器二次侧电压输出数值如表5所示。

表5 分压器低压侧电压输出结果Table 5 Voltage output on low voltage side of the divider V

根据式(3)对表5中的数据进行RH理论值的计算,结果如图7所示。10 kV的最大自校准结果为100.25 MΩ,最小自校正结果为99.90 MΩ。1 kV的最大自校正结果为104.25 MΩ,最小自校正结果为101.99 MΩ。10 kV的自校准结果小于1 kV的自校准结果,标准差较小,更为稳定。

图7 1 kV和10 kV下RH自校准计算结果Fig.7 Self-correction results of RH at 1 kV and 10 kV

4 试验结果分析

4.1 基本准确度试验结果分析

由表4可知,当测量电压范围为0～8 kV时,电压传感器样机最大绝对误差为5 V。当被测电压在8～12 kV范围内时,最大绝对误差为7 V,当被测电压在12～20 kV范围内时,最大绝对误差为12 V。传感器的额定电压为10 kV。用该传感器测量20 kV电压时,其基准误差为0.12%。仅用于测量0～10 kV电压时,其精度等级达到0.1。文中研制的传感器在测量20 kV直流电压的情况下,精度等级达到0.2。

4.2 自校准试验结果分析

根据表5和图7中的数据,得到自校准过程的结果如表6所示。

表6 RH自校准计算结果Table 6 Self-correction results MΩ

根据表6中的数据可知,在1 kV时进行自校准计算得到的RH校准值大于10 kV时的校准值,这一现象的原因是在隔离电路中使用了AD215芯片。AD215芯片是一款隔离变压器,其在电路中承担着分隔高压侧与低压侧的重要作用,能够有效防止高压侧电路故障对低压侧电路的损坏。但AD215中有一个较大的输出偏移电压,根据AD215的芯片数据手册可知,其初始输出偏移电压在-80～0 mV之间。因此,VN与V′N的测量值均小于实际值。并且,在1 kV时影响较大,因为1 kV时的被测电压是10 kV的10%,所引起的相对误差更大。不同偏移电压下RH的结果见表7。

表7 不同偏移电压下RH校准值Table 7 Self-correction results of RH on different offset voltage

通过将输入电压置零,得到输出电压即可反推出AD215偏置电压。根据试验结果,偏移电压约为-10 mV。因此,在1 kV和10 kV下获得的RH校准值分别为100.03 MΩ和99.69 MΩ。此外,考虑到分压器二次侧输出电压于10 kV下是1 kV下的10倍,当偏移电压改变时,对1 kV条件下二次侧输出电压的影响更大。因此,在进行RH自校准时,应选择接近10 kV的电压,进一步验证了自校准条件的合理性。

5 结论

当基于分压器的中压电压传感器应用于舰船等复杂电磁环境场所时,会因电磁辐射导致电阻老化从而降低测量精度。为解决这一问题,文中设计了一种具有自校准功能的电压传感器,并研制了样机进行重复性试验和自校正试验。试验结果表明:

1)基于分压法的电压传感器测量随机误差极小,在短时间内测量稳定性高。当被测电压为20 kV时,最大标准差仅为0.5 V,被测传感器的重复性误差小于0.005%。

2)传感器通过增加电子开关等装置实现自我校准。虽然增加了装置的复杂性,但试验结果表明,自校正不确定度仍小于0.17%,远小于长期使用后因老化等原因造成的误差。

3)现阶段传感器样机只用于直流方案测量,后续可针对方案进行改进,增加传感器带宽,以适应中压交流工况,同时针对交流自校准算法进行进一步开发。