专利名称：带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的制作方法
技术领域：
本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种互感器校验用基准，具体地说是一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准。
背景技术：
电子式电压互感器是一种电压传感器，它是传统电磁式电压互感器更新换代的产 品，主要用于电网电能计量及安全保护。传统电磁式电压互感器测量频带较窄，它采用铁芯 线圈进行一次电压的传感，其二次端额定输出为100V或100/ViV的电压标准值。电子式电 压互感器具有测量频带宽、功耗低等特点，它主要采用光学装置、电阻分压器及电容分压器 等进行一次电压的传感，并装有电子器件用于传感信号的传输和放大，其二次端口具有电 压模拟量输出或数字量输出两种形式。准确度是电子式电压互感器最重要的技术指标，在 规定的使用条件下，电子式电压互感器的误差必须在给定的准确度等级所规定的限值内。 1999年国际电工委员会首次发布了电子式电压互感器国际标准IEC60044-7，在此基础上， 我国于2007年首次制定并发布了电子式电压互感器国家标准GB/T20840. 7，这些标准对电 子式电压互感器的基波准确度提出了要求。电子式电压互感器国家标准GB/T20840. 7指出 有关数字量输出型电子式电压互感器的技术信息可参见2007年首次制定并发布的电子式 电流互感器国家标准GB/T20840. 8的相关内容，而标准GB/T20840. 8同时也给出了电子式 电流互感器及电子式电压互感器谐波准确度的要求。在校验电子式电压互感器准确度误差 的试验电路中，对基准和被校验电子式电压互感器一次端口施加相同的一次试验电压，通 过比较基准二次端口输出的二次标准参考电压和被校验电子式电压互感器的二次输出量， 就可以计算出被校验电子式电压互感器的准确度误差。对电子式电压互感器准确度误差的试验，目前采用单一频率的一次电压分别进行 基波和谐波准确度的校验，但是这和电子式电压互感器实际应用时电网电压的真实情况不 符。理想情况下进行试验时，应在额定频率及额定一次电压上叠加所要求的各谐波频率分 量，该分量为额定一次电压的某个百分数，这样的一次电压更接近波形畸变真实的情况，从 而使电子式电压互感器可能发生的非线性现象得到良好的反映和校验，此时电子式电压互 感器的基波和谐波准确度可以同时进行校验。但是如果在一次电压波形畸变的条件下进 行试验，则需要基准同时具有较高的基波及谐波准确度，并且试验时还需要产生波形畸变 的稳态一次试验电压。现在电子式电压互感器准确度试验用的基准主要采用传统电压互感 器的基准，传统电压互感器的基准包括标准电压互感器、双级电压互感器、感应分压器等电 压比例标准器，而试验所用的一次试验电压则是通过具有单独变压器结构的升压器或带升 压器的电压互感器基准产生，但是这些基准及升压器都是在正弦波条件下进行设计并使用 的。实际上由于传统电压互感器的计量检定规程中没有谐波准确度的要求，这些基准及升 压器在设计时通常不考虑波形畸变的工作条件。此外，即使在正弦波条件下，传统电压互感 器基准作为电子式电压互感器基准也存在问题。为了采用差值校验法校验传统电压互感器 的准确度误差，传统电压互感器基准的二次输出与传统电压互感器二次输出相同，其额定指通常为IOOV或100/V5V的电压标准参考量，而电子式电压互感器输出的是几伏的电压模 拟量或数字量，因此校验时需要高准确度的分压器以调整传统电压互感器基准的输出电压 以便数字采样。由于畸变波升压器的输出端直接接基准的一次端，即升压器的输出电压和 基准一次试验电压相同，因此可以考虑将畸变波升压器和基准合二为一，但是目前这样的 设备未见有专利或文献报道。

发明内容
本发明所要解决的技术问题为了克服现有技术的不足，提出一种带升压器的电 子式电压互感器周期性非正弦波基准，在对具有电压模拟量输出或数字量输出的电子式电 压互感器基波及谐波准确度进行校验时，它能输出周期性非正弦波一次试验电压并同时能 提供与该一次试验电压成线性比例关系的二次标准参考电压。本发明的技术方案一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，它包括基波用铁芯、谐波用铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、短路限 流电阻和误差补偿电路；所述的误差补偿电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三 运算放大器、电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；一次线 圈既作为升压器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；基波用铁芯和谐波用铁芯均为闭环 铁芯；所述的基波供电线圈均勻地绕制在基波用铁芯上，所述的谐波供电线圈均勻地绕制 在谐波用铁芯上，所述的二次线圈同时绕制在基波用铁芯和谐波用铁芯上，所述的一次线 圈同时均勻地绕制在基波用铁芯和谐波用铁芯上；误差补偿电路中的第一运算放大器的反 相输入端和输出端通过第一电阻相连，第一运算放大器的输出端通过第二电阻与第二运算 放大器的反相输入端相连，第一运算放大器的输出端通过第六电阻接地，第一运算放大器 的同相输入端接地；第二运算放大器的反相输入端和输出端通过第三电阻相连，第二运算 放大器的输出端与第三运算放大器的同相输入端直接相连，第二运算放大器的同相输入端 接地；第三运算放大器的反相输入端通过一个并联电容的第四电阻接地，同时第三运算放 大器的反相输入端和输出端通过第五电阻相连；第三运算放大器的输出端与一次线圈的非 同名端相连，一次线圈的同名端和第一运算放大器的反相输入端构成升压器的输出端口， 该端口也是基准的一次端口 ；二次线圈的同名端与短路限流电阻的一端相连；短路限流电 阻的另一端和二次线圈的非同名端构成基准的二次端口。本发明的基波供电线圈由外部基波电压源提供频率固定、幅值及初相角可调的基 波电压，谐波供电线圈由外部谐波电压源提供频率、幅值及初相角可调的单次谐波电压；升 压器的输出端口，也就是基准一次端口的一次试验电压为基波供电线圈提供的基波电压和 谐波供电线圈提供的单次谐波电压的线性组合，基准的一次试验电压和基准的二次端口输 出的二次标准参考电压之间准确转换；一次试验电压的基波电压和单次谐波电压的频率、 幅值和初相角都通过外部基波电压源和外部谐波电压源进行选择和调节，通过检测基准输 出的二次标准参考电压，可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节进行监控；当基波电 压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，可以实现以基波为参变量进行电子式电压 互感器准确度误差频率响应的测试。本发明升压器输出的一次试验电压基波额定电压方均根值可达1KV，单次谐波额 定电压的方均根值为基波额定电压方均根值的1/10，额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为IOOHz至650Hz或120Hz至780Hz，基波和单次谐波电压的初相角为任意值；基准 二次标准参考电压的基波和单次谐波额定电压的方均根值分别为4V和0. 4V ；基准二次输 出额定负荷为20M Ω，基准的基波准确度误差和谐波准确度误差分别不超过0. 1级电子式 电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10 ；升压器容量可达0. 5KVA，额定基波 供电电压的方均根值为250V，额定谐波供电电压的方均根值为25V。本发明与现有技术相比的特点和技术效果
(1)本发明的特点在于该装置能产生电子式电压互感器准确度误差校验用的周期 性非正弦波一次试验电压，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电压成线性比例关系 的二次标准参考电压，它克服了电子式电压互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波 准确度误差校验的局限性，解决了周期性非正弦波条件下对电子式电压互感器基波和谐波 准确度同时进行校验时对一次试验电压及基准的需求问题，使电子式电压互感器的非线性 现象得到校验；(2)本发明产生的周期性非正弦波一次试验电压由基波电压和单次谐波电 压合成，基波电压和单次谐波电压的频率、幅值和初相角都可以通过外部基波电压源和外 部谐波电压源进行选择和调节，通过检测基准输出的二次标准参考电压可以对这些频率、 幅值和初相角的选择和调节进行监控；基波电压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可 调，可以实现以基波为参变量进行电子式电压互感器准确度误差频率响应的测试；(3)本 发明通过在所述一次线圈非同名端串联误差补偿电路的方法，抵消由一次线圈电阻及漏抗 带来的误差，提高基准的电压传感转换精度；(4)本发明所述的基准二次输出额定负荷为 20ΜΩ，在校验0. 1级电子式电压互感器准确度误差时，可以忽略短路限流电阻、二次线圈 电阻及漏抗带来的误差；(5)本发明所述二次标准参考电压的基波和单次谐波电压额定值 可以设计在几百微伏到几伏范围内，方便直接采样；(6)本发明所述二次线圈同名端串接 一个短路限流电阻，消除了传统电压互感器基准二次端口不能短路的弊端；(7)本发明所 述的作为升压器输出端子的第一运算放大器的反相输入端接近地电位，同时它通过电阻可 靠接地。


图1为本发明带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的原理图。
具体实施例方式本发明提出的带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的实施例，其原 理如图1所示，它包括基波用铁芯1、谐波用铁芯2、基波供电线圈3、谐波供电线圈5、一次 线圈4、二次线圈6、短路限流电阻17及误差补偿电路16 ；误差补偿电路16包括第一运算 放大器15、第二运算放大器14、第三运算放大器10、电容13、第一电阻7、第二电阻8、第三 电阻9、第五电阻11、第四电阻12及第六电阻18 ；误差补偿电路16中的第一运算放大器15 的反相输入端和输出端通过第一电阻7相连，第一运算放大器15的输出端通过第二电阻8 与第二运算放大器14的反相输入端相连，第一运算放大器15的输出端通过第六电阻18接 地，第一运算放大器15的同相输入端接地；第二运算放大器14的反相输入端和输出端通过 第三电阻9相连，第二运算放大器14的输出端与第三运算放大器10的同相输入端直接相 连，第二运算放大器14的同相输入端接地；第三运算放大器10的反相输入端通过并联电容13的第四电阻12接地，同时第三运算放大器10的反相输入端和输出端通过第五电阻11相 连；第三运算放大器10的输出端与一次线圈4的非同名端相连，一次线圈4的同名端和第 一运算放大器15的反相输入端构成升压器的输出端口，该端口也是基准的一次端口 ；二次 线圈6的同名端与短路限流电阻17的一端相连；短路限流电阻17的另一端和二次线圈6的 非同名端构成基准的二次端口 ；各线圈按以下方式绕制在相应的铁芯上首先将基波供电 线圈3均勻地绕制在基波用铁芯1上，再将谐波供电线圈5均勻地绕制在谐波用铁芯2上， 然后将二次线圈6同时绕制在基波用铁芯1和谐波用铁芯2上，最后将一次线圈4同时均 勻地绕制在基波用铁芯1和谐波用铁芯2上；基波用铁芯1和谐波用铁芯2均为闭环铁芯； A和N为升压器的输出端口，同时也是基准的一次端口，a和η为基准二次标准参考电压的 输出端口。仏和氏为基波供电线圈3的输入端口，&和&为谐波供电线圈5的输入端口 ； 外部基波电压源由E1和E2端口向基波供电线圈3施加供电电压exl，外部谐波电压源由E3 和E4端口向谐波供电线圈5施加供电电压esh。下面对本发明的带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准的原理做进 一步的说明。基波供电线圈3的电动势平衡方程为 式中Rsl和Lsl分别为基波供电线圈3的电阻和漏电感，isl和Nsl分别为基波供电 线圈3的电流和匝数，(K1为基波用铁芯1的磁通。谐波供电线圈5的电动势平衡方程为 式中Rsh和Lsh分别为谐波供电线圈5的电阻和漏电感，ish和Nsh分别为谐波供电 线圈5的电流和匝数，为谐波用铁芯2的磁通。升压器输出端口和基准的一次端口的电动势平衡方程为 式中NpR1和L2分别为一次线圈4的匝数、电阻和漏电感，Ul为升压器输出电压及 基准一次试验电压，I1为升压器输出电流及一次线圈4的电流，Uc为误差补偿电路16提供 的补偿电压。补偿电压U。为、 令R4 = R5, R6 = R7, R3 = R/2 和 CR7 = 2“/%，有 调节外部基波电压源及谐波电压源，当满足以下理想条件时 可得升压器输出电压及基准一次试验电压U1
式中f和h分别为外部供电电压源的基波频率及谐波次数，Esl和ctsl分别为基波 供电线圈3的感应电压有效值和初相角，Esh和分别为谐波供电线圈5的感应电压有效 值和初相角。二次线圈6的内阻抗及短路限流电阻17相比基准二次输出额定负荷可以忽略，此 时基准输出的二次标准参考电压u2为 式中N2为二次线圈6的匝数，因此有 即u1/u2＝N1/N2。
本实施例具体设计参数为升压器输出电压和基准一次电压的基波和单次谐波 额定电压的方均根值分别为220V和22V，额定频率为50Hz，单次谐波频率范围为100Hz至 650Hz，基波和单次谐波电压的初相角为任意值；基准二次电压的基波和单次谐波额定电压 的方均根值分别为4V和0. 4V ；基准二次输出额定负荷为20MQ，基准的基波准确度误差和 谐波准确度误差分别不超过0. 1级电子式电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值 的1/10 ；升压器容量为40VA，升压器额定基波供电电压的方均根值为250V，升压器额定谐 波供电电压的方均根值为25V ；基波用铁芯1和谐波用铁芯2均为冷轧硅钢片闭环铁芯，基 波用铁芯1的内径为100mm、外径为240mm、高度为80mm，谐波用铁芯2的内径为150mm、外 径为190mm、高度为20mm; —次线圈4的匝数队=220，基波供电线圈3的匝数Nsl = 250， 谐波供电线圈5的匝数Nsh = 250，二次线圈6的匝数N2 = 4，各线圈均采用单根小0. 49漆 包线在相关铁芯上均勻绕制，线圈采用聚酯薄膜绝缘。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何 不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
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权利要求
一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于包括基波用铁芯(1)、谐波用铁芯(2)、基波供电线圈(3)、谐波供电线圈(5)、一次线圈(4)、二次线圈(6)、短路限流电阻(17)和误差补偿电路(16)；所述的误差补偿电路(16)包括第一运算放大器(15)、第二运算放大器(14)、第三运算放大器(10)、电容(13)、第一电阻(7)、第二电阻(8)、第三电阻(9)、第四电阻(12)、第五电阻(11)和第六电阻(18)；一次线圈(4)既作为升压器的输出线圈，又作为基准的一次线圈；基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)均为闭环铁芯；所述的基波供电线圈(3)均匀地绕制在基波用铁芯(1)上，所述的谐波供电线圈(5)均匀地绕制在谐波用铁芯(2)上，所述的二次线圈(6)同时绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上，所述的一次线圈(4)同时均匀地绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上；误差补偿电路(16)中的第一运算放大器(15)的反相输入端和输出端通过第一电阻(7)相连，第一运算放大器(15)的输出端通过第二电阻(8)与第二运算放大器(14)的反相输入端相连，第一运算放大器(15)的输出端通过第六电阻(18)接地，第一运算放大器(15)的同相输入端接地；第二运算放大器(14)的反相输入端和输出端通过第三电阻(9)相连，第二运算放大器(14)的输出端与第三运算放大器(10)的同相输入端直接相连，第二运算放大器(14)的同相输入端接地；第三运算放大器(10)的反相输入端通过并联电容(13)的第四电阻(12)接地，同时第三运算放大器(10)的反相输入端和输出端通过第五电阻(11)相连；第三运算放大器(10)的输出端与一次线圈(4)的非同名端相连，一次线圈(4)的同名端和第一运算放大器(15)的反相输入端构成升压器的输出端口，该端口也是基准的一次端口；二次线圈(6)的同名端与短路限流电阻(17)的一端相连；短路限流电阻(17)的另一端和二次线圈(6)的非同名端构成基准的二次端口。
2.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于所述升压器的输出电压，即基准的一次试验电压为基波供电线圈(3)提供的基 波电压和谐波供电线圈(5)提供的单次谐波电压的线性组合，基准的一次试验电压和基准 二次端口输出的二次标准参考电压之间准确转换；一次试验电压的基波电压和单次谐波电 压的频率、幅值和初相角通过外部基波电压源和外部谐波电压源进行选择和调节，通过检 测基准二次端口输出的二次标准参考电压，可以对这些频率、幅值和初相角的选择和调节 进行监控；当基波电压频率为一个固定值，单次谐波频率连续可调，实现以基波为参变量进 行电子式电压互感器准确度误差频率响应的测试。
3.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于一次试验电压单次谐波额定电压的方均根值为基波额定电压方均根值的1/10， 额定频率为50Hz或60Hz，单次谐波频率范围为100Hz至650Hz或120Hz至780Hz，基波和 单次谐波电压的初相角为任意值。
4.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于所述基准二次端口输出的二次标准参考电压的基波和单次谐波额定电压的方均 根值分别为4V和0. 4V。
5.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于所述基准的二次输出额定负荷为20MQ，基准的基波准确度误差和谐波准确度 误差分别不超过0. 1级电子式电压互感器规定的基波和谐波准确度误差限值的1/10。
6.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其特征在于额定基波供电电压的方均根值为250V，额定谐波供电电压的方均根值为25V。
7.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于所述作为升压器输出端子的第一运算放大器(15)的反相输入端接近地电位，同 时该反相输入端通过第一电阻(7)和第六电阻(18)可靠接地。
8.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于基准二次输出端口允许短路。
9.根据权利要求1所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，其 特征在于本发明所述的误差补偿电路用于消除由一次线圈(4)的电阻及漏抗引起的基准 误差。
10.根据权利要求1-9任何一项所述的一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正 弦波基准，其特征在于各线圈按以下方式绕制在相应的铁芯上首先将基波供电线圈(3) 均勻地绕制在基波用铁芯(1)上，再将谐波供电线圈(5)均勻地绕制在谐波用铁芯(2)上， 然后将二次线圈(6)同时绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上，最后将一次线圈(4) 同时均勻地绕制在基波用铁芯(1)和谐波用铁芯(2)上。
全文摘要
本发明公开了一种带升压器的电子式电压互感器周期性非正弦波基准，它包括基波用铁芯、谐波用铁芯、基波供电线圈、谐波供电线圈、一次线圈、二次线圈、短路限流电阻和误差补偿电路。本发明能产生电子式电压互感器准确度误差校验用的周期性非正弦波一次试验电压，同时能输出与该周期性非正弦波一次试验电压成线性比例关系的二次标准参考电压，它克服了电子式电压互感器在单一频率条件下分别进行基波和谐波准确度误差校验的局限性，解决了周期性非正弦波条件下对电子式电压互感器基波和谐波准确度同时进行校验时对一次试验电压及基准的需求问题，使电子式电压互感器的非线性现象得到校验。
文档编号G01R35/02GK101872006SQ20101019433
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者谢岳 申请人:中国计量学院