有源V/I转换电容分压器弱输出电压传感器误差校验系统

作者： 国自电气 时间：2024-07-18 09:29:18 阅读：68

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3.25/3V。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100V或100/3V。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5V反相电压信号。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

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。

相比于传统电容分压器,基于有源VI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。

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5V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。

3.2 误差分析

对于主回路而言,G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Av，和Av2 ,则主回路引入的误差由△3减小为A4 。

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,完成弱输出电压传感器误差校验系统研制。

采用研制的误差校验系统对10kV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。

5，结束语

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14.1urad。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。