1 000 V多盘感应分压器标准建立

王 维, 刘 夏, 张 欣

(中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

交流电压比例技术可通过电阻分压器、电容分压器和感应分压器( inductive voltage divider, IVD)等多种形式实现。由于感应分压器具有高输入阻抗、低输出阻抗、高准确度和高稳定度的特性,在精密电磁测量领域得到广泛应用。根据IEC标准60618,感应分压器误差定义为名义比例与实际比例之差[1]:

澳大利亚国家计量院已研制一台工作电压为1 000 V、频率为50 Hz的抽头式三级感应分压器,输出比例为0.001至0.01;其准确度优于1×10-7,校准结果不确定度小于1×10-9[2,3]。

在电力系统中,高压变压器通常会溯源到1 000 V感应分压器,因此诸多省级电力及计量机构将 1 000 V 感应分压器作为电压比例的标准使用。通常情况下,这些互感器都是由各研究机构工作人员通过自校准的方法自行校验[4],校验结果的一致性并不好。自2013年起,中国计量科学研究院开始研制1 000 V多盘感应分压器标准以期统一高电压比例量值传递系统。此感应分压器使用完全等电位屏蔽结构和基于互感器注入原理的补偿方式,获得了很高的准确度[5]。

中国计量科学研究院还研制了一套用于校准多盘感应分压器的完全等电位屏蔽自校验系统[6～8],使用泄漏电流对称抵消及等电位屏蔽技术,可准确校准得到感应分压器误差。本文将详细介绍作者所研制的感应分压器补偿方法和自校准系统的细节。

2 多盘感应分压器结构

此台感应分压器工作频率为50 Hz,额定一次电压为1 000 V。感应分压器结构如图1所示。为了得到较宽范围的比例输出,此台感应分压器设计有8个波段开关,可以输出比例范围从1×10-8到1。

图1 感应分压器结构图Fig.1 Schematic diagram of IVD

感应分压器的8个绕组分别采用并接及串接方法与前一级绕组连接。如图2(a)所示,前4盘使用并接的方法相互连接,这种自耦结构的连接方式漏磁较小,各个绕组顺序由前一个绕组的某一段激磁,并且后续绕组的电位会随前一个绕组输出改变而变化,因此结构比较复杂。图2(b)是后4个绕组使用的串接式连接方法的原理图,其结构较简单,易于实现。即使由于其结构会引入一定的漏磁;但由于后4个绕组输入电压等级很低,一般情况下漏磁引入的误差可忽略。

图2 绕组连接方式Fig.2 Schematic diagram of IVD connection method

感应分压器最重要的是前2个绕组。如图1及图3所示,前2个绕组是双级铁心结构。首先在镯环形铁心B1上单层平均绕制激磁绕组,以减小各匝绕组之间的电位差,并以一匝反向匝结束,以消除激磁绕组的单匝效应。随后使用4个与主铁心相同材料制成的镯环形铁心从上、下、内、外4个方向将激磁绕组包裹当做磁屏蔽;同时这个磁屏蔽也起到了组合绕组二级铁心B2的作用[2],可以有效减小比例绕组中的激磁电流引起的误差。第1盘比例绕组以绞绕的方式绕制在磁屏蔽外侧,再增加一个组合铁心B3后,第2盘比例绕组绕制在最外侧,以便简化感应分压器结构和缩小体积。使用这种方法绕制的第2盘绕组也同样是双级铁心结构。

图3 绕组屏蔽结构Fig.3 Shielding structure of the winding

第2盘绕组使用并联方法与第1盘绕组连接,以降低对第1盘绕组的负载影响。第2盘绕组的输入端接到第1盘绕组其中一段输出端,如图2(a)所示,随着第1盘输出的改变,第2盘绕组的低端电位也会随之改变,如果不加以控制,第2盘绕组会由于容性泄漏电流的改变引起附加误差。

为了消除前面提到的容性泄漏电流改变引起的误差,本文设计了如图1及图3所示的4层等电位屏蔽,分别位于第1盘比例绕组内外及第2盘比例绕组内外;并使用了一台屏蔽保护分压器实时输出与第1盘绕组相同的电压,为等电位屏蔽层提供屏蔽电位。第1盘比例绕组与屏蔽保护分压器共用同一个多层波段开关K1同步切换,使得屏蔽保护电位始终与第1盘绕组输出保持相同。屏蔽层S1和S2都与大地相连接,以保持第1盘绕组外界维持稳定的地电位。另外两层屏蔽S3和S3都与前文提到的屏蔽保护分压器的输出相连(图1中两处SP为短接状态),这样做可以保证第2盘绕组周围的电位环境始终与其低端电位相等,而不会随着第1盘绕组输出的改变而变化;从而消除了第2盘绕组由于电位环境变化而引起的容性泄漏误差改变。

第3盘及第4盘绕组也使用形如前两盘绕组的组合铁心结构,并与前两盘绕组通过并接的方式连接。为了简化结构绕,第5至第8盘绕组制在同一个铁心上,并采用串接的方式与前4盘绕组连接。

3 基于互感器注入原理误差补偿方法

此台感应分压器将作为中国计量科学研究院电压比例标准装置,设计要求准确度优于5×10-8。但由于不可避免的漏磁、容性泄漏电流等影响,要达到预期的准确度水平还需要对误差进行补偿。传统的阻容补偿方法通过在各盘电位绕组抽头并接适当量值的电阻及电容元件对误差进行补偿,但由于绕组线包内部复杂的分布参数与接入的补偿电阻电容相互影响,造成了补偿过程繁琐冗长。

因此本文选用了一种如图4所示的基于互感器注入原理的补偿方法[9,10]。补偿系统由2部分组成,分别是同相补偿单元和正交补偿单元。同相及正交补偿互感器均由主铁心取电,并分压到10-6量级,在正交单元还需加入一个阻容网络将补偿输出移相90°。补偿互感器输出中间抽头接地,再通过套在感应分压器输出抽头上的100:1注入互感器,即可对感应分压器误差进行10-8量级的补偿。

图4 补偿系统原理图Fig.4 Schematic diagram of compensation system

此种补偿方法操作简便,首先通过自校准测量得到每个抽头误差的具体数值,然后选定具体的补偿电压注入套在抽头上的注入变压器即可完成补偿操作。对单一抽头误差的补偿不会影响到其他抽头误差补偿结果,补偿操作快速有效。本文研制的感应分压器第1盘及第2盘绕组均使用了这种补偿方法。图5为感应分压器各部分的组成。

图5 感应分压器物理布局Fig.5 Physical layout of the IVD

4 改进型多盘感应分压器自校准方法

本文设计了一种采用完全等电位屏蔽及对称泄流设计的改进型参考电势法,并研制搭建了相应的自校准系统[5]对1 000 V多盘感应分压器进行校准。

如图6所示,自校准系统包括被校的标准感应分压器、辅助感应分压器、参考互感器、2台保护分压器以及指零注入系统。标准感应分压器Tx与辅助感应分压器Ta采用相同的线路结构及补偿装置,使得2台感应分压器比例输出偏差很小,以便获得更好的校准结果。标准感应分压器输出是一对端头,输出比例由波段开关控制,为了避免在校准过程中有容性负载电流从感应分压器流过,在校准过程中通过使用三同轴结构的电缆增加了等电位屏蔽[11,12]。2个8盘保护分压器(G1和G2)为此屏蔽提供保护电位,G1输出连接到图6中左侧三同轴电缆的内层屏蔽,其输出比例始终与标准感应分压器Tx相同,以保证在自校准过程中,标准感应分压器Tx输出端头不向外泄漏电流。基于同样的理由,G2与右侧三同轴电缆内侧屏蔽相连。被校准盘的每一段都要与参考互感器的输出相比较。

图6 自校准系统原理图Fig.6 Schematic diagram of self-calibration system

整个自校准系统中,参考互感器输出电压的稳定性对校验结果有重要的影响。为此设计了一台具有对称泄漏结构的超稳定参考互感器。此台参考互感器也是双级铁心结构,其中激磁和比例绕组分12段绕制,当输入电压分别加载到其中的8段至12段后,可以得到比例值从1/8到1/12的参考电势输出[13]。使用这种结构的参考互感器,不仅可以对感应分压器单盘各输出比例进行校验,还可以校验各盘组合使用时的输出,以便对感应分压器组合使用时的误差进行评估。表1中详细列出了参考互感器可以校验的比例。

表1 可校准组合比例列表Tab.1 List of combined calibrated ratio

参考互感器的二次绕组使用三同轴电缆绕制,并在绕组中心处将两层屏蔽切断。绕组两个端头使用特殊的接头,芯线与感应分压器相应抽头相连,内外两层屏蔽线通过同轴电缆分别连接到保护分压器高端及低端输出,并且增加扼流圈以确保容性泄漏电流在两层屏蔽上流动时等大反向,不对参考互感器铁心耦合影响。此种结构还可克服校准过程中改变参考互感器屏蔽电位时对稳定性的影响。

图7给出了感应分压器前三盘的自校准数据,图7中横坐标表示各盘波段开关所处位置,纵坐标表示误差大小。图8给出了当参考互感器的输入分别接到8段绕组至12段绕组时,使用参考互感器给出的0.125至0.083 333 33的参考比例得到的感应分压器各盘组合使用时的误差数据,其中横坐标与表1第1列数据对应,通过查表1可知实际的被校准比例。

图7 前三盘自校准结果Fig.7 Output ratio Errors of the first three decades

图8 各盘组合使用自校准结果Fig.8 Output ratio errors of decade’s combination

表2给出了感应分压其自校准结果的不确定度评估,最终扩展不确定度优于2×10-8。

表2 不确定度评估Tab.2 Uncertainty budget of the calibration of the transformer

5 结 论

中国计量科学研究院研制了一台多盘感应分压器作为工频1 000 V电压比例参数的标准装置。此台感应分压器使用了基于互感器注入技术的补偿方法,并使用了对称泄漏结构设计和完全等电位屏蔽技术以便得到良好的校验结果和准确度指标。采用特殊设计的参考互感器对感应分压器前三盘及组合使用时整体误差进行校验。校准结果显示感应分压器准确度指标优于1×10-7,不确定度小于2×10-8。