王 維, 劉 夏, 張 欣

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

交流電壓比例技術(shù)可通過(guò)電阻分壓器、電容分壓器和感應(yīng)分壓器( inductive voltage divider, IVD)等多種形式實(shí)現(xiàn)。由于感應(yīng)分壓器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的特性,在精密電磁測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)60618,感應(yīng)分壓器誤差定義為名義比例與實(shí)際比例之差[1]:

澳大利亞國(guó)家計(jì)量院已研制一臺(tái)工作電壓為1 000 V、頻率為50 Hz的抽頭式三級(jí)感應(yīng)分壓器,輸出比例為0.001至0.01;其準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-7,校準(zhǔn)結(jié)果不確定度小于1×10-9[2,3]。

在電力系統(tǒng)中,高壓變壓器通常會(huì)溯源到1 000 V感應(yīng)分壓器,因此諸多省級(jí)電力及計(jì)量機(jī)構(gòu)將 1 000 V 感應(yīng)分壓器作為電壓比例的標(biāo)準(zhǔn)使用。通常情況下,這些互感器都是由各研究機(jī)構(gòu)工作人員通過(guò)自校準(zhǔn)的方法自行校驗(yàn)[4],校驗(yàn)結(jié)果的一致性并不好。自2013年起,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院開(kāi)始研制1 000 V多盤(pán)感應(yīng)分壓器標(biāo)準(zhǔn)以期統(tǒng)一高電壓比例量值傳遞系統(tǒng)。此感應(yīng)分壓器使用完全等電位屏蔽結(jié)構(gòu)和基于互感器注入原理的補(bǔ)償方式,獲得了很高的準(zhǔn)確度[5]。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院還研制了一套用于校準(zhǔn)多盤(pán)感應(yīng)分壓器的完全等電位屏蔽自校驗(yàn)系統(tǒng)[6～8],使用泄漏電流對(duì)稱(chēng)抵消及等電位屏蔽技術(shù),可準(zhǔn)確校準(zhǔn)得到感應(yīng)分壓器誤差。本文將詳細(xì)介紹作者所研制的感應(yīng)分壓器補(bǔ)償方法和自校準(zhǔn)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。

2 多盤(pán)感應(yīng)分壓器結(jié)構(gòu)

此臺(tái)感應(yīng)分壓器工作頻率為50 Hz,額定一次電壓為1 000 V。感應(yīng)分壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了得到較寬范圍的比例輸出,此臺(tái)感應(yīng)分壓器設(shè)計(jì)有8個(gè)波段開(kāi)關(guān),可以輸出比例范圍從1×10-8到1。

圖1 感應(yīng)分壓器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of IVD

感應(yīng)分壓器的8個(gè)繞組分別采用并接及串接方法與前一級(jí)繞組連接。如圖2(a)所示,前4盤(pán)使用并接的方法相互連接,這種自耦結(jié)構(gòu)的連接方式漏磁較小,各個(gè)繞組順序由前一個(gè)繞組的某一段激磁,并且后續(xù)繞組的電位會(huì)隨前一個(gè)繞組輸出改變而變化,因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖2(b)是后4個(gè)繞組使用的串接式連接方法的原理圖,其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。即使由于其結(jié)構(gòu)會(huì)引入一定的漏磁;但由于后4個(gè)繞組輸入電壓等級(jí)很低,一般情況下漏磁引入的誤差可忽略。

圖2 繞組連接方式Fig.2 Schematic diagram of IVD connection method

感應(yīng)分壓器最重要的是前2個(gè)繞組。如圖1及圖3所示,前2個(gè)繞組是雙級(jí)鐵心結(jié)構(gòu)。首先在鐲環(huán)形鐵心B1上單層平均繞制激磁繞組,以減小各匝繞組之間的電位差,并以一匝反向匝結(jié)束,以消除激磁繞組的單匝效應(yīng)。隨后使用4個(gè)與主鐵心相同材料制成的鐲環(huán)形鐵心從上、下、內(nèi)、外4個(gè)方向?qū)⒓ご爬@組包裹當(dāng)做磁屏蔽;同時(shí)這個(gè)磁屏蔽也起到了組合繞組二級(jí)鐵心B2的作用[2],可以有效減小比例繞組中的激磁電流引起的誤差。第1盤(pán)比例繞組以絞繞的方式繞制在磁屏蔽外側(cè),再增加一個(gè)組合鐵心B3后,第2盤(pán)比例繞組繞制在最外側(cè),以便簡(jiǎn)化感應(yīng)分壓器結(jié)構(gòu)和縮小體積。使用這種方法繞制的第2盤(pán)繞組也同樣是雙級(jí)鐵心結(jié)構(gòu)。

圖3 繞組屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.3 Shielding structure of the winding

第2盤(pán)繞組使用并聯(lián)方法與第1盤(pán)繞組連接,以降低對(duì)第1盤(pán)繞組的負(fù)載影響。第2盤(pán)繞組的輸入端接到第1盤(pán)繞組其中一段輸出端,如圖2(a)所示,隨著第1盤(pán)輸出的改變,第2盤(pán)繞組的低端電位也會(huì)隨之改變,如果不加以控制,第2盤(pán)繞組會(huì)由于容性泄漏電流的改變引起附加誤差。

為了消除前面提到的容性泄漏電流改變引起的誤差,本文設(shè)計(jì)了如圖1及圖3所示的4層等電位屏蔽,分別位于第1盤(pán)比例繞組內(nèi)外及第2盤(pán)比例繞組內(nèi)外;并使用了一臺(tái)屏蔽保護(hù)分壓器實(shí)時(shí)輸出與第1盤(pán)繞組相同的電壓,為等電位屏蔽層提供屏蔽電位。第1盤(pán)比例繞組與屏蔽保護(hù)分壓器共用同一個(gè)多層波段開(kāi)關(guān)K1同步切換,使得屏蔽保護(hù)電位始終與第1盤(pán)繞組輸出保持相同。屏蔽層S1和S2都與大地相連接,以保持第1盤(pán)繞組外界維持穩(wěn)定的地電位。另外兩層屏蔽S3和S3都與前文提到的屏蔽保護(hù)分壓器的輸出相連(圖1中兩處SP為短接狀態(tài)),這樣做可以保證第2盤(pán)繞組周?chē)碾娢画h(huán)境始終與其低端電位相等,而不會(huì)隨著第1盤(pán)繞組輸出的改變而變化;從而消除了第2盤(pán)繞組由于電位環(huán)境變化而引起的容性泄漏誤差改變。

第3盤(pán)及第4盤(pán)繞組也使用形如前兩盤(pán)繞組的組合鐵心結(jié)構(gòu),并與前兩盤(pán)繞組通過(guò)并接的方式連接。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)繞,第5至第8盤(pán)繞組制在同一個(gè)鐵心上,并采用串接的方式與前4盤(pán)繞組連接。

3 基于互感器注入原理誤差補(bǔ)償方法

此臺(tái)感應(yīng)分壓器將作為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置,設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確度優(yōu)于5×10-8。但由于不可避免的漏磁、容性泄漏電流等影響,要達(dá)到預(yù)期的準(zhǔn)確度水平還需要對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的阻容補(bǔ)償方法通過(guò)在各盤(pán)電位繞組抽頭并接適當(dāng)量值的電阻及電容元件對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償,但由于繞組線包內(nèi)部復(fù)雜的分布參數(shù)與接入的補(bǔ)償電阻電容相互影響,造成了補(bǔ)償過(guò)程繁瑣冗長(zhǎng)。

因此本文選用了一種如圖4所示的基于互感器注入原理的補(bǔ)償方法[9,10]。補(bǔ)償系統(tǒng)由2部分組成,分別是同相補(bǔ)償單元和正交補(bǔ)償單元。同相及正交補(bǔ)償互感器均由主鐵心取電,并分壓到10-6量級(jí),在正交單元還需加入一個(gè)阻容網(wǎng)絡(luò)將補(bǔ)償輸出移相90°。補(bǔ)償互感器輸出中間抽頭接地,再通過(guò)套在感應(yīng)分壓器輸出抽頭上的100:1注入互感器,即可對(duì)感應(yīng)分壓器誤差進(jìn)行10-8量級(jí)的補(bǔ)償。

圖4 補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of compensation system

此種補(bǔ)償方法操作簡(jiǎn)便,首先通過(guò)自校準(zhǔn)測(cè)量得到每個(gè)抽頭誤差的具體數(shù)值,然后選定具體的補(bǔ)償電壓注入套在抽頭上的注入變壓器即可完成補(bǔ)償操作。對(duì)單一抽頭誤差的補(bǔ)償不會(huì)影響到其他抽頭誤差補(bǔ)償結(jié)果,補(bǔ)償操作快速有效。本文研制的感應(yīng)分壓器第1盤(pán)及第2盤(pán)繞組均使用了這種補(bǔ)償方法。圖5為感應(yīng)分壓器各部分的組成。

圖5 感應(yīng)分壓器物理布局Fig.5 Physical layout of the IVD

4 改進(jìn)型多盤(pán)感應(yīng)分壓器自校準(zhǔn)方法

本文設(shè)計(jì)了一種采用完全等電位屏蔽及對(duì)稱(chēng)泄流設(shè)計(jì)的改進(jìn)型參考電勢(shì)法,并研制搭建了相應(yīng)的自校準(zhǔn)系統(tǒng)[5]對(duì)1 000 V多盤(pán)感應(yīng)分壓器進(jìn)行校準(zhǔn)。

如圖6所示,自校準(zhǔn)系統(tǒng)包括被校的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器、輔助感應(yīng)分壓器、參考互感器、2臺(tái)保護(hù)分壓器以及指零注入系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器Tx與輔助感應(yīng)分壓器Ta采用相同的線路結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償裝置,使得2臺(tái)感應(yīng)分壓器比例輸出偏差很小,以便獲得更好的校準(zhǔn)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器輸出是一對(duì)端頭,輸出比例由波段開(kāi)關(guān)控制,為了避免在校準(zhǔn)過(guò)程中有容性負(fù)載電流從感應(yīng)分壓器流過(guò),在校準(zhǔn)過(guò)程中通過(guò)使用三同軸結(jié)構(gòu)的電纜增加了等電位屏蔽[11,12]。2個(gè)8盤(pán)保護(hù)分壓器(G1和G2)為此屏蔽提供保護(hù)電位,G1輸出連接到圖6中左側(cè)三同軸電纜的內(nèi)層屏蔽,其輸出比例始終與標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器Tx相同,以保證在自校準(zhǔn)過(guò)程中,標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器Tx輸出端頭不向外泄漏電流?；谕瑯拥睦碛?G2與右側(cè)三同軸電纜內(nèi)側(cè)屏蔽相連。被校準(zhǔn)盤(pán)的每一段都要與參考互感器的輸出相比較。

圖6 自校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of self-calibration system

整個(gè)自校準(zhǔn)系統(tǒng)中,參考互感器輸出電壓的穩(wěn)定性對(duì)校驗(yàn)結(jié)果有重要的影響。為此設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有對(duì)稱(chēng)泄漏結(jié)構(gòu)的超穩(wěn)定參考互感器。此臺(tái)參考互感器也是雙級(jí)鐵心結(jié)構(gòu),其中激磁和比例繞組分12段繞制,當(dāng)輸入電壓分別加載到其中的8段至12段后,可以得到比例值從1/8到1/12的參考電勢(shì)輸出[13]。使用這種結(jié)構(gòu)的參考互感器,不僅可以對(duì)感應(yīng)分壓器單盤(pán)各輸出比例進(jìn)行校驗(yàn),還可以校驗(yàn)各盤(pán)組合使用時(shí)的輸出,以便對(duì)感應(yīng)分壓器組合使用時(shí)的誤差進(jìn)行評(píng)估。表1中詳細(xì)列出了參考互感器可以校驗(yàn)的比例。

表1 可校準(zhǔn)組合比例列表Tab.1 List of combined calibrated ratio

參考互感器的二次繞組使用三同軸電纜繞制,并在繞組中心處將兩層屏蔽切斷。繞組兩個(gè)端頭使用特殊的接頭,芯線與感應(yīng)分壓器相應(yīng)抽頭相連,內(nèi)外兩層屏蔽線通過(guò)同軸電纜分別連接到保護(hù)分壓器高端及低端輸出,并且增加扼流圈以確保容性泄漏電流在兩層屏蔽上流動(dòng)時(shí)等大反向,不對(duì)參考互感器鐵心耦合影響。此種結(jié)構(gòu)還可克服校準(zhǔn)過(guò)程中改變參考互感器屏蔽電位時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的影響。

圖7給出了感應(yīng)分壓器前三盤(pán)的自校準(zhǔn)數(shù)據(jù),圖7中橫坐標(biāo)表示各盤(pán)波段開(kāi)關(guān)所處位置,縱坐標(biāo)表示誤差大小。圖8給出了當(dāng)參考互感器的輸入分別接到8段繞組至12段繞組時(shí),使用參考互感器給出的0.125至0.083 333 33的參考比例得到的感應(yīng)分壓器各盤(pán)組合使用時(shí)的誤差數(shù)據(jù),其中橫坐標(biāo)與表1第1列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng),通過(guò)查表1可知實(shí)際的被校準(zhǔn)比例。

圖7 前三盤(pán)自校準(zhǔn)結(jié)果Fig.7 Output ratio Errors of the first three decades

圖8 各盤(pán)組合使用自校準(zhǔn)結(jié)果Fig.8 Output ratio errors of decade’s combination

表2給出了感應(yīng)分壓其自校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)估,最終擴(kuò)展不確定度優(yōu)于2×10-8。

表2 不確定度評(píng)估Tab.2 Uncertainty budget of the calibration of the transformer

5 結(jié) 論

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了一臺(tái)多盤(pán)感應(yīng)分壓器作為工頻1 000 V電壓比例參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)裝置。此臺(tái)感應(yīng)分壓器使用了基于互感器注入技術(shù)的補(bǔ)償方法,并使用了對(duì)稱(chēng)泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和完全等電位屏蔽技術(shù)以便得到良好的校驗(yàn)結(jié)果和準(zhǔn)確度指標(biāo)。采用特殊設(shè)計(jì)的參考互感器對(duì)感應(yīng)分壓器前三盤(pán)及組合使用時(shí)整體誤差進(jìn)行校驗(yàn)。校準(zhǔn)結(jié)果顯示感應(yīng)分壓器準(zhǔn)確度指標(biāo)優(yōu)于1×10-7,不確定度小于2×10-8。