電壓互感器寬頻誤差自動測量裝置及試驗研究

于廷滿

（永安煤業(yè)有限責(zé)任公司，福建 三明 366102）

引言

為準(zhǔn)確測量電壓互感器的寬頻誤差，基于測差原理，運用鎖相放大器和LabVIEW技術(shù)，研制了一套電壓互感器寬頻誤差測量裝置，實現(xiàn)了互感器誤差測量的自動化與智能化。介紹了寬頻誤差測量基本原理及裝置整體設(shè)計方案，并通過工頻誤差校準(zhǔn)、自校結(jié)果比對、頻率特性及穩(wěn)定性等試驗，對該裝置的性能進行了測試與驗證。測試結(jié)果表明，裝置在50Hz～10kHz范圍內(nèi)，其比差測量精度優(yōu)于5×10－7，角差測量精度優(yōu)于0.2μrad，且頻率響應(yīng)特性十分平坦。

一、電壓互感器的模型

PT的非線性模型首先要考慮的是鐵心的勵磁飽和非線性特性；另外一個要考慮的是隨著頻率的升高，處于高頻信號下的電壓互感器，在兩個導(dǎo)體或者電壓互感器繞組的電阻和電感中存在著分布的電氣耦合，這些電氣耦合表現(xiàn)出電容的特性，稱之為雜散電容；同時考慮鐵心的非線性特性，電壓互感器在高頻下的工作狀態(tài)和電壓互感器中繞組的電阻（表示銅損耗）和電感（表示漏電感）。

二、系統(tǒng)設(shè)計

寬頻誤差測量裝置。信號發(fā)生器生成低壓寬頻信號，經(jīng)過功率放大器和寬頻升壓器完成升壓，組成電源系統(tǒng)。鎖相放大器選用美國SRS公司的Lock-inAmplifier—850，使用時需要注意以下兩點:①輸入的差壓信號ΔU和參考信號Uref的有效值都必須低于10V(即使瞬時超過10V也會導(dǎo)致?lián)p壞);②在鎖相放大器的內(nèi)部，差壓信號的低端通過10K電阻接外殼地，因此需要設(shè)計1∶1寬頻隔離變壓器。

為了實現(xiàn)誤差測量的自動化，編寫了一套Lab VIEW智能測試軟件，通過GPIB接口同時與信號發(fā)生器、鎖相放大器進行通信(IEEE—488標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)，實現(xiàn)誤差測量自動化與智能化。初始化運行后，控制信號發(fā)生器的輸出幅值和相位，實現(xiàn)自動升壓與變頻。在軟件中處理鎖相放大器測得的數(shù)據(jù)，計算角差和比差，保存結(jié)果并實時顯示。

三、試驗結(jié)果與分析

（一）與感應(yīng)分壓器自校結(jié)果比對

1kV感應(yīng)分壓器(IVD)為工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)量值溯源體系的源頭，一般采用參考電勢法對其進行自校，通常認(rèn)為自校結(jié)果接近真值。以國家高電壓計量站1kV標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)分壓器作為試品，在不同比率下(0.1～1)，用本裝置對其誤差進行校準(zhǔn)。然后將測量結(jié)果與參考電勢自校結(jié)果進行比對。

與參考電勢自校方法結(jié)果相比，在不同比率下，受裝置中的1∶1隔離變壓器、鎖相放大器測量精度等裝置本身的影響，本裝置的比差、角差測量結(jié)果分別存在+2×10－7和－2×10－7的整體偏移。相對于互感器誤差來說，該偏移誤差非常小，基本可忽略不計;另一方面，對于這種系統(tǒng)帶來的固有測量誤差，由于其比較穩(wěn)定，可以在軟件中加以修正。

（二）頻率特性測試

將信號發(fā)生器輸出5V電壓信號，同時施加在差壓信號U X和U N兩個通道上，形成1∶1的標(biāo)準(zhǔn)差壓信號，理論上誤差應(yīng)為零，試驗中該裝置所測得的比差和角差即為測量裝置自身的誤差。給定信號頻率范圍為50Hz～100kHz。

在頻率10kHz以內(nèi)，裝置的比值差和相位差均比較平坦，其誤差均小于1×10－6。在電力系統(tǒng)中，諧波頻率主要成分低于2.5kHz，更高頻率含量十分有限，對電能計量造成的影響可忽略不計，因此，研制的裝置滿足互感器諧波特性的誤差測量需求。

（三）工頻測量誤差校準(zhǔn)

參考傳統(tǒng)電工式互感器誤差校驗儀的校準(zhǔn)方法，對裝置的工頻測量誤差進行校準(zhǔn)。給定標(biāo)準(zhǔn)工頻誤差源(可根據(jù)需要產(chǎn)生不同的比差、角差組合)，直接測量本裝置在工頻下由測量系統(tǒng)帶來的誤差。

傳統(tǒng)電工式校驗儀的比差、角差測量精度均優(yōu)于5×10－7，而本裝置測量精度約3.5×10－7，其測量精度比電工式校驗儀有所提升。對于常見的誤差量值溯源工作，兩種方法均能較好地滿足需求。

（四）電容式電壓互感器下節(jié)電容測量方法

現(xiàn)場試驗時，為防止檢修時線路側(cè)來電，線路電壓互感器高壓接頭通常是懸掛地線，即電壓互感器高壓側(cè)接地。

結(jié)語

裝置將工頻條件下的測差法基本原理應(yīng)用于電壓互感器諧波誤差測量，借用鎖相放大器精密測量儀器及LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了電壓互感器誤差的自動測量，解決了傳統(tǒng)電工式校驗方式操作繁瑣等難題。通過一系列試驗分析與驗證，結(jié)果表明，該裝置具有較高的測量精度，其比差測量精度優(yōu)于5×10－7，角差測量精度優(yōu)于0.2μrad。與此同時，也具有較好的頻率響應(yīng)特性，在50Hz～10kHz范圍內(nèi)，其測量精度基本不變，頻率響應(yīng)十分平坦。