CN103018704B - 一种仪用电压互感器的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪用电压互感器的校正方法，包括：先根据仪用电压互感器变比的需要，将至少二个感应分压器通过主副级联的方式组合，配置主、副感应分压器的变比档位，使主副级联组合后的变比与仪用电压互感器某一档的变比相同；再自校检定获得主、副感应分压器的误差；最后将自校检定后的主、副感应分压器标定为电压比例基准，比较传递至仪用电压互感器，实现仪用电压互感器某一档变比的校正。本发明可实现在仪用电压互感器低电压输出的条件下，提高电压/电压变换的较高准确度。

Description

一种仪用电压互感器的校正方法

技术领域

本发明涉及一种标准器件的校正方法，具体涉及一种仪用电压互感器的校正方法。

背景技术

仪用电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成低的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。由于工业、军事、计量、科研等领域的电子测量需要，精密仪器仪表技术发展迅猛,仪用电压互感器出现了新的技术要求：

1）输出电压在10V以下，如智能电网的数字化变电站使用的电子式电压互感器二次额定输出为4V。

2）输入折算到输出的准确度要求达到ppm量级，如电参量基准***溯源需要的50-100-200-400V/4V的电压/电压比例基准。

国家目前尚未发布仪用电压互感器的检定规程，法定计量单位（部门）也未开展量值传递工作。现在计量部门对仪用电压互感器的校正方法是：先采用《国家计量检定规程（JJG244-2003）》中规定的典型参考电势法对感应分压器进行检定，得出感应分压器的传递比率误差而确定感应分压器的准确度，再将检定后的感应分压器作为电压比例基准，根据《JJG314-2010测量用电压互感器检定规程》规定方法，对仪用电压互感器进行比较，得到仪用电压互感器的误差包括比差和角差，以实现了对仪用电压互感器的校正。

在《国家计量检定规程（JJG244-2003）》对感应分压器的检定方法中，单盘感应分压器结构原理图如附图1所示，感应分压器传递比率（亦称为感应分压器分压系数）定义为开路输出电压复数量与输入电压复数量的比值：

式中：

——感应分压器开路输出电压复数量；

——感应分压器输入电压复数量。

感应分压器传递比率的误差定义为：

$e=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_o-{\stackrel{\·}{U}}_2}{{\stackrel{\·}{U}}_1}=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{U}}{{\stackrel{\·}{U}}_1}$

式中：

——感应分压器开路输出电压复数量的标称值；

——感应分压器开路输出电压复数量与标称值的差值；

e——感应分压器传递比率误差的复数量，分解为：

$\left|e\right|=\sqrt{e_p^2+e_q^2}$

式中：

e_p——感应分压器传递比率误差的同相分量；

e_q——感应分压器传递比率误差的正交分量。

感应分压器的准确度用传递比率误差模的极限来确定。《国家计量检定规程（JJG244-2003）》对感应分压器的检定方法中规定：精密感应分压器传递比率误差可用绝对检验原理，即基于感应分压器的制造工艺：多段导线绞合绕制，分段交流阻抗严格相等，串接后使每段的分压系数相同从而获得精准的分压比。换句话说，感应分压器传递比率误差的绝对检验就是交流阻抗或交流电压的相对比例测量。

《国家计量检定规程（JJG244-2003）》对感应分压器的检定方法中，采用的典型参考电势法（绝对检验原理）如图2所示，图2中：Fx为被检感应分压器，一般采用FG2感应分压器，Fs为参考分压器，F_G为屏蔽保护电位分压器，为电源电压，为1/N段电源电压标称值，为参考电势，N为感应分压器总段数，D为指零仪，Δi为微差补偿器，其中Eei＝eip+jeiq。用参考分压器的副边电压（即参考电势）与被检感应分压器的各段电压进行比较，可得：

Es=1/N*SUM(Eei)

Ei=N*(Eei-Es)=N*Eei-SUM(Eei)

Eio=1/i*SUM(Ei)

Eii=1/N*SUM(Ei)

式中：

Es——参考电势的误差；

N——感分总段数/微差发生器工作电压与段电压比例；

SUM(Ei)——感应分压器第i个抽头包含段的误差和；

Ei——被检感应分压器第i段的段误差，复数表示Ei=α+jβ；

Eio——被检感应分压器第i个抽头折算到输出的误差；

Eii——感应分压器第i个抽头折算到输入的误差。

感应分压器的传递比率误差由磁性测量误差和容性耦合误差组成。

但是，用以上典型参考电势法检定感应分压器，将会遇到如下问题：

（1）检定需要使用专用设备:屏蔽保护电位分压器、参考分压器、微差补偿器和指零仪是精密的专用设备，一般仅在国家级的实验室配备；

（2）参考分压器频率特性影响检定精度，特别是角差精度；

（3）微差补偿需人工操作，检定时间长；

（4）当检定现有的定型产品如设计精度折算为输入为1ppm的FG2感应分压器时，输出额定电压设计为100V,配套校验仪的工作电压也是100V，以此标准用于比对仪用电压互感器时不能在满度电压下运行；

（5）为了满足不同的电压比例需求，FG2感应分压器是多个单盘感应分压器通过级联组成多盘感应分压器，当比对的仪用电压互感器电压变比小于10：1时（一般的仪用电压互感器的电压变比都小于10：1，如100V/4V的精度为1ppm的分段等电位屏蔽感应分压器，以及精度2ppm的50-100-200-400V/4V仪用双级电压互感器），FG2感应分压器的第一盘将无输出，但若要FG2感应分压器保证1ppm变比精度，其第一盘输出不能为0，也即，当第一盘无输出时，其精度将大大降低，而精密仪用电压互感器折算到输入的感应分压器误差已达4×10^-8,用相对检验方法难以找到满足相对检验的更高标准；（相对检验方法：被校设备与标准设备进行比较而得到相对误差）因为《国家计量检定规程（JJG244-2003）》规定：用于溯源的标准设备的精度应当高出被校设备一个数量级，此时可以忽略标准设备误差的影响，所以传统方法中的FG2感应分压器在精密仪用电压互感器校验中只能作为比对参考而不能作为溯源标准，也即无法校正仪用电压互感器。

综上，由于上述缺陷，现有高精度仪用电压互感器就不能满足上述新的技术要求：1）输出电压为低电压即变比低于10：1；2）变换精度要求高。

此外，中国实用新型专利ZL201120055472.9公开了一种高精度组合式多功能校准仪，该校准仪为双通道交流电压比较仪，具有两个输入通道，可使输入的电压比例基准独立进行两通道一致性校准和零度相位绝对校准，其两个通道完全隔离，容性泄漏极小，精密测量频率高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种仪用电压互感器的校正方法，实现在仪用电压互感器低电压输出的条件下，提高电压/电压变换的较高准确度。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种仪用电压互感器的校正方法，包括：

先根据仪用电压互感器变比的需要，将至少二个感应分压器通过主副级联的方式组合，配置主、副感应分压器的变比档位，使主副级联组合后的变比与仪用电压互感器某一档的变比相同；再自校检定获得主、副感应分压器的误差；最后将自校检定后的主、副感应分压器标定为电压比例基准，比较传递至仪用电压互感器，实现仪用电压互感器某一档变比的校正。

在上述基础上，本发明可做如下改进：

本发明所述感应分压器采用分段等电位屏蔽感应分压器，以消除磁性测量误差和容性耦合误差。

进一步地，本发明所述主、副感应分压器误差的检定方法如下：

采用双通道交流电压比较仪，以双通道交流电压比较仪的两个通道依次对感应分压器中各段进行测量，运用参考电势法自校并计算出主、副感应分压器每一段的误差，通过组合主、副感应分压器，得到需要的变比，并计算出组合后的最终误差。

进一步地，本发明还包括通过参考电势法将仪用电压互感器已校正的档位传递至对仪用电压互感器其它档位，以实现仪用电压互感器其它档位的校正。

更进一步地，本发明所述校正仪用电压互感器其它档位的方法如下：

采用双通道交流电压比较仪，先用A通道测量仪用电压互感器其中一未校正档位段的阻抗误差，用B通道测量已校正档位与仪用电压互感器输出参考端之间的阻抗误差；再交换A、B通道的测量对象以抵消A、B通道的自身***误差，从而通过双通道交流电压比较仪直接获得各未校正档位的档位段的阻抗误差，最终计算获得仪用电压互感器的各档位的误差和不确定度，实现对其它档位的校正。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明采用主、副感应分压器级联的方式获得变比，便于获得小于10V的电压输出，完全适用于校正需求输出小于10V的仪用电压互感器；

（2）本发明省去了传统检定所必须使用的专用设备，所采用的双通道交流电压比较仪可方便在普通实验室中使用；同时，避免了参考分压器频率特性对校正的影响，省去了微差补偿的人工操作时间；

（3）本发明的感应分压器在比对仪用电压互感器时可以在满度电压下运行；

（4）本发明双通道交流电压比较仪可在测量中消除自身***误差，同时采用分段等电位屏蔽感应分压器也消除了磁性测量误差和容性耦合误差，使其具有很高的变换精度，具有极好的幅频特性和相频特性，使用于仪用电压互感器高精度的要求；

（5）本发明通过双通道交流电压比较仪可测量直读，数据偏差小且检验时间短。

附图说明

图1为现有单盘感应分压器结构原理图；

图2为现有典型参考电势法检定感应分压器的原理图；

图3为本发明双通道交流电压比较仪内部测量电路的原理框图；

图4为对仪用电压互感器（双级电压互感器）的100V/4V档进行比较传递的接线图；

图5为对仪用电压互感器（双级电压互感器）的其它档传递的接线图。

具体实施方式

一种仪用电压互感器的校正方法，包括：

（1）先根据仪用电压互感器变比的需要，将二个感应分压器通过主副级联的方式组合，配置主、副感应分压器的变比档位，使主副级联组合后的变比与仪用电压互感器某一档的变比相同。

其中：本实施例仪用电压互感器的先校正的档位是100V/4V档。

本实施例所采用的电压互感器（简称感分）是分段等电位屏蔽感应分压器，是专门为工频至1000Hz的工作频率设计，理论分析表明：感应分压器传递比率误差由磁性误差和容性误差组成，其中磁性误差可由感应分压器的组合铁芯和多段导线绞合绕制解决，其容性误差即段间电容和匝间电容却使分段交流阻抗不严格相等，使感应分压器在频率较高时产生很大的误差，本分段等电位屏蔽感应分压器从励磁绕组得到每一段电压，并将该电压对应连接于比例绕组的每一段的屏蔽绕组，使容性误差大大减小，从而使其频率性能大大提升。

本实施例的双通道交流电压比较仪（简称比较仪）采用中国实用新型专利ZL201120055472.9公开的一种高精度组合式多功能校准仪，其内部测量电路原理框图如图3所示，由输入缓冲器电路、模数转换电路、直流参考电压电路、隔离电源供电电路和数字处理部分组成。具有用于测量采样的A通道和B通道，在连续采样工作模式下，工频分辩率误差幅值达0.2ppm,相位达0.2μrad。比较仪随时可进行A、B两通道一致性校准和零度相位绝对校准，两个通道完全隔离设计，容性泄漏极小,精密测量频率可达3000Hz。

（2）自校检定获得主、副感应分压器的误差：

步骤一：

a）比较仪A通道信号输入端连接感分N段阻抗的第1段高端,比较仪A通道参考输入端连接第1段的低端；

b）比较仪B通道信号输入端连接感分N段阻抗的第2段高端，比较仪B通道参考输入端连接第2段的低端；

c）输入50V电压至感分，自动测量读取比较仪的两个电压和相位值，取30组有效数据并产生记录；

d）采用反相接法，将比较仪B通道信号输入端连接N段阻抗的第2段低端，B通道参考输入端连接第2段的高端；

e）输入50V电压至感分，自动测量读取双通道比较仪的两个电压和相位值，取30组有效数据并产生记录；

f）比较仪B通道依次测量第3段至第N段,每次测量接线步骤按上述a)~e)的步骤。

步骤二:

对调信号源高低电位接线后，重复步骤一。

根据上面步骤分别计算出感分每段的比值误差和相位误差，实验数据如表1所示。

表1

再由下列公式计算获得感分的比值误差和相位误差：

Krp=1/N*SUM(Kri)；Φp=1/N*SUM(Φi)；

αi=Kri-Krp；βi=Φi-Φp；

Eio(α)=1/i*SUM(αi)；Eio(β)=1/i*SUM(βi)；

Eii(α)=1/N*SUM(αi)；Eii(β)=1/N*SUM(βi)。

表1及上式中，Kei——第i段的微差平衡读数，即比较仪获得的段阻抗比Kri\夹角Φi；

Es——参考电势误差，即比较仪法获得的参考阻抗比Krp\夹角Φp；

Ei——第i段的段误差,复数表示Ei=α+jβ；

SUM(Ei)——第i个档位（抽头）包含段的误差和；

N——感分总段数\微差发生器工作电压与段电压比例（可从比较仪中直读）；

Eio——感分第i个的档位（抽头）折算到输出的误差；

Eii——感分第i个的档位（抽头）折算到输入的误差；

本实施例因为基准***100V/4V仅关系最低抽头，故表1中仅对第1段误差评估：

感分的比值误差：

E1o(α)=0.2ppm；Eii(α)=0.02ppm

感分的相位误差：

E1o(β)=0.4urad；Eii(β)=0.04urad。（感分的相位差与比较仪的相位差表示符号相反）

（3）将自校检定后的主、副感应分压器标定为电压比例基准：采用双通道交流电压比较仪，以双通道交流电压比较仪的两个通道依次对感应分压器中各段进行测量，运用参考电势法自校并计算出主、副感应分压器每一段的误差，通过组合主、副感应分压器，得到需要的变比，并计算出组合后的最终误差。

本实施例中，由于感分的绕制工艺是用十段绕制，当输入100V时，每段的段电压标称值是10V，先前的试验是基于感分的50%线性，在50V下得到每段电压5V，以适应比较仪的量限。而需要的4V并不在整数段间（最小是100：10），检定这个特殊抽头的办法是用一主一副两个感分级联组合，副感分同主感分的制造方法完全相同，即两个感分的10段配合，第一个主感分得到100V/10V，再通过副感分得到10V/4V。当对主、副感应分压器标定为电压比例基准时，需要对副感分及级联的绝对误差进行测量和计算，获得的误差就相当于对10V/4V基准的标定完成。

测量结果数据如表2所示。

表2

表2中，主：主感分；副：副感分；绝对值：绝对值误差；相对值：相对值误差。

从表3可看出，主副级联时，连接副感分负载对主感分的误差基本无影响，即级联时主感分基本不引入其它误差，在建立仪用电压互感器的标准时，引入的附加误差越小越好。

表3

依据绝对校验数据作优化组合，即主感分的100/4V作第一级，副感分的100/4V作第二级，此时的组合计算绝对误差比差为0.2ppm，角差为0.1μrad。

副感分的段电压工作于额定值的10%，电源和表计无法满足检测要求，只能对其非线性误差进行定性分析和评估：

Ⅰ）等电位感分的励磁阻抗测得为60（kΩ），比例绕组的等效阻抗可以计算，根据双级绕组的设计原理，流入比例绕组的电流只是励磁绕组的误差电流，按励磁绕组误差0.1%计算，比例绕组的等效阻抗为60（MΩ），即每段阻抗为6（MΩ）。

Ⅱ）由于励磁电流变化而产生的每段阻抗相同变化将不对分压比例产生影响。

Ⅲ）由于漏抗不均匀产生的非线性影响，假如某段比例阻抗产生6欧姆的正方向变化（相对大了1ppm），则这段阻抗位于抽头区间或不在抽头区间，其计算分压影响量分别等于0.15ppm或-0.1ppm，即第二级副感分的任一段阻抗的变化对分压比例的影响小于该段变化量的20%。

Ⅳ）由于漏抗不均匀产生的非线性段阻抗影响，服从统计平均规律，即对分压比例的影响会减少。

综上所述，第二级副感分电压工作于额定值的10%时，其相对于100%满度的非线性误差评估小于0.2ppm和0.2μrad。则所建的立本100V:4V电压比例基准的精度较高。

（4）将所建立的100V：4V的电压比例基准比较量值传递至仪用电压互感器，实现仪用电压互感器某一档变比的校正：

（4-1）100V/4V传递的接线图如图4所示，本实施例的仪用电压互感器为双级电压互感器，是包括50-100-200-400V/4V多量限的电压互感器，该双级电压互感器的双级电压是从50V~400V，计算误差控制在5ppm范围。由于100V/4V的基准已经建立，比较即可得到双级电压互感器100V/4V的误差E0，该比较方法的原理与检定主、副感分的方法原理相同。

（4-2）对其它档位的校正：

本实施例采用双通道交流电压比较仪，先用A通道测量仪用电压互感器其中一未校正档位段的阻抗误差，用B通道测量已校正档位与仪用电压互感器输出参考端之间的阻抗误差；再交换A、B通道的测量对象以抵消A、B通道的自身***误差，从而通过双通道交流电压比较仪直接获得各未校正档位的档位段的阻抗误差，最终计算获得仪用电压互感器的各档位的误差和不确定度，实现对其它档位的校正，其接线图与图5所示，具体步骤如下：

4-2-a)输入100V电压到双级电压互感器的输入端，比较仪A通道信号输入端连接双级电压互感器的50/4V抽头，A通道参考输入端连接双级电压互感器的100/4V抽头，抽头的标称电压为4V，测量误差为Ea+E1，Ea和E1分别为比较仪A通道误差和双级电压互感器测量50/4V到100/4V段的阻抗误差（或称电势误差）。

4-2-b)比较仪B通道信号输入端连接双级电压互感器输出参考端，B通道参考输入端连接双级电压互感器的100/4V抽头，测量另一段4V电压，测量误差为Eb+E0，Eb和E0分别为比较仪B通道误差和100/4V到双级电压互感器输出参考端的测量段的阻抗误差（或称电势误差），即100/4V误差。比较仪两个通道的比较结果为e1=Eb+E0-Ea-E1。

4-2-c)自动测量两通道获得的两个矢量电压，读取30个有效数据并产生记录。

4-2-d)比较仪B通道信号输入端连接双级电压互感器的50/4V抽头,B通道参考输入端连接双级电压互感器的100/4V抽头,测量误差为Eb+E1,Eb和E1分别为比较仪B通道误差和50/4V到100/4V测量段的阻抗误差（或称电势误差）。而比较仪A通道信号输入端连接双级互感器输出参考端，A通道参考输入端连接双级电压互感器的100/4V抽头,测量误差为Ea+E0，Ea和E0分别为比较仪A通道误差和100/4V到双级电压互感器输出参考端的测量段的阻抗误差（或称电势误差，为参考阻抗），通道比较结果e2=Eb+E1-Ea-E0（在相对误差测量中为了计算方便，总是将参考标准误差设为零，得出结果后再将参考标准的修正值考虑进去）。

4-2-e)自动测量两通道获得的两个矢量电压，读取30个有效数据并产生记录。

4-2-f)由于e1和e2均由比较仪直接获得，再计算（e2-e1）/2=（（Eb+E1-Ea-E0）-（Eb+E0-Ea-E1））/2=E1，计算（e2+e1）/2=（（Eb+E1-Ea-E0）+（Eb+E0-Ea-E1））/2=Eb-Ea，则可获得E1而抵消了比较仪的两通道自身的***误差。

4-2-g)输入200V电压到双级电压互感器的输入端，此时100/4V抽头与200/4V抽头之间及200/4V抽头与双级互感器输出参考端之间是两个矢量电压，也按以上4-2-a至4-2-f的步骤进行校准。

4-2-h)输入400V电压到双级电压互感器的输入端，亦采用同上4-2-a至4-2-f的步骤进行校准。

上述校准中各段阻抗的计算：

令四个抽头阻抗分别为Z50、Z100、Z200和Z400，双级电压互感器100/4V段相对于感应分压器100/4V段的误差为E0；上述双级电压互感器的三次测量相对阻抗（或电势）误差分别为E1、E2、E3（三次测量的参考阻抗分别是Z100、Z100-Z200、Z200-Z400），各段阻抗相对测量计算过程如下：

$Z50=Z100(1+E1)+Z100=2\×Z100(1+\frac{E1}{2})---\left(1\right)$

$\frac{Z200-(Z100-Z200)}{Z100-Z200}=E2---\left(2\right)$

$\⇒2\×Z200-Z100=Z100\×E2-Z200\×E2---\left(3\right)$

$\⇒Z200(2+E2)=Z100(1+E2)---\left(4\right)$

$\⇒Z200=\frac{Z100(1+E2)}{2+E2}=\frac{Z100}{2}\×\frac{1+E2}{1+\frac{E2}{2}}$

按近似推导公式1/(1-X)=1+X（当X是很小量时,并省略了二阶以上小量），上式可近似写为公式（5）的形式：

$Z200=\frac{Z100}{2}\×(1+\frac{E2}{2})---\left(5\right)$

同理得：

$Z400=\frac{Z200}{2}\×(1+\frac{E3}{2})---\left(6\right)$

设Z0为相对分段等电位感分的无误差阻抗，继续推导有：

$\frac{Z100}{Z0}-1=E0---\left(7\right)$

$\⇒Z100=Z0\×(1+E0)---\left(8\right)$

将式(8)代入式(1)，得：

$Z50=2\×Z0(1+E0)(1+\frac{E1}{2})$

$\⇒\frac{Z50}{2\×Z0}-1=E0+\frac{E1}{2}---\left(9\right)$

式(9)中省略了二阶的小量。

同理将式(8)代入式(5)和式(6)，可得：

$\frac{Z200}{Z0/2}-1=E0+\frac{E2}{2}---\left(10\right)$

$\frac{Z400}{Z0/4}-1=E0+\frac{E2+E3}{2}---\left(11\right)$

双级电压互感器的实验数据如表4所示。

（主感分修正值为-1.43ppm，0.17μrad)

表4

一般互感器的绝对值误差是可采用补偿电路进行平移，而非线性误差需要设计和制造工艺来保证，所以，非线性误差比绝对值误差更为重要，以上可得到如下结果：

50-100-200-400V/4V双级电压互感器的非线性误差：

比值非线性误差为1.7ppm；

相位非线性误差为0.5μrad；

50-100-200-400V/4V双级电压互感器溯源测量结果的不确定度（即溯源结果的可信度）：

比值不确定度为0.3ppm；

相位不确定度为0.4μrad。

以上通过参考电势法将仪用电压互感器已校正的档位传递至对仪用电压互感器其它档位，以实现仪用电压互感器其它档位的校正。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种仪用电压互感器的校正方法，其特征在于包括：

先根据仪用电压互感器变比的需要，将至少二个感应分压器通过主副级联的方式组合，配置主、副感应分压器的变比档位，使主副级联组合后的变比与仪用电压互感器某一档的变比相同；再自校检定获得主、副感应分压器的误差；最后将自校检定后的主、副感应分压器标定为电压比例基准，比较传递至仪用电压互感器，实现仪用电压互感器某一档变比的校正；

还包括通过参考电势法将仪用电压互感器已校正的档位传递至对仪用电压互感器其它档位，以实现仪用电压互感器其它档位的校正；

所述校正仪用电压互感器其它档位的方法如下：

采用双通道交流电压比较仪，先用A通道测量仪用电压互感器其中一未校正档位段的阻抗误差，用B通道测量已校正档位与仪用电压互感器输出参考端之间的阻抗误差；再交换A、B通道的测量对象以抵消A、B通道的自身***误差，从而通过双通道交流电压比较仪直接获得各未校正档位的档位段的阻抗误差，最终计算获得仪用电压互感器的各档位的误差和不确定度，实现对其它档位的校正。

2.根据权利要求1所述的仪用电压互感器的校正方法，其特征在于：所述感应分压器采用分段等电位屏蔽感应分压器。

3.根据权利要求2所述的仪用电压互感器的校正方法，其特征在于：所述主、副感应分压器误差的检定方法如下：

采用双通道交流电压比较仪，以双通道交流电压比较仪的两个通道依次对感应分压器中各段进行测量，运用参考电势法自校并计算出主、副感应分压器每一段的误差，通过组合主、副感应分压器，得到需要的变比，并计算出组合后的最终误差。