电压互感器测试仪的设计与实现 .pdf

第5 l 卷第l l 期 2 0 1 4年6月 l O日 电测与仪表 El e c t r ic a l M e a s u r e m e n t I ns t r u m e n t at io n V0 1 5 1 No 1 1 J u n 1 O 2 0 1 4 电压互感器测试仪 的设计与实现 吴蕾 高峰 李季 1 华中科技大学武昌分校 武汉 4 3 0 0 6 4 2 湖北电力公 司十堰供电公 司 湖北 十堰 4 4 2 0 0 0 摘要 在电压互感器传统测量方法的基础上 参照电压互感器误差的经典公式 提出了一种 钡 6 量高压电压互感 器误差的现场校验方法 研究了其测试原理 对难以测量 的漏抗 建立了有效的计算数学模型 并在此基础上 进行了电压互感器测试仪的硬件 软件设计 在很大程度上提高了测试 准确度 测量准确度可以达到检定规程 要求 实际运行表明 该测试仪具有很好的精确度和稳定性 关键词 电压互感器 校验 比差 角差 信号调理 中图分类号 T M 4 5 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 1 3 9 0 2 0 1 4 1 1 0 0 0 1 0 5 De s ig n a n d Re a l iz a t io n o f Po t e n t ia l Tr a ns f o r me r M e a s u r ing I n s t r u m e nt WU L e i GA0 F e n g L I J i 1 H u a z h o n g U n i v e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Wu c h a n g B r a n c h Wu h a n 4 3 0 0 6 4 C h i n a 2 S h i y a n P o w e r S u p p l y C o m p a n y o f H u b e i E l e c t r i c C o r p o r a t io n S h iy a n 4 4 2 0 0 0 H u b e i C h in a Ab s t r ac t Ve r if y in g me t h o d f o r hi g h v o l t a g e p o t e n t ia l t r a n s f o r me r is p r o p o s e d in t h is p a p e r o n t h e b a s is o f t r a d it io na l me a s u r in g me t h o d s a n d t he c l a s s ic f o r mu l a o f p o t e n t ia l t r a ns f o rm e r e r r o r T he me a s u r i ng t he o r y is a l s o s t u di e d Effe c t iv e c o mpu t a t i o n a l ma t h e ma t i c a l mo d e l i s e s t a bl is h e d for t he me a s u r e me n t d if f ic u l t y o f l e a k a g e r e a c t a n c e Ha r d wa r e a n d s o ftwa r e de s ig n o f po t e n t ia l t r a n s f o rm e r me a s u r in g in s t r u me n t a r e g iv e n a s we l 1 Th e a c c u r a c y o f me a s u r e me n t is i mp r o v e d a n d c a n me e t t h e r e q u ir e me n t o f v e r if ic a t io n r e g u l a t i o n Th e p r a c t ic a l a p p l ic a t io n s ho ws t h a t t h e me a s u r in g i n s t r u me n t h a s g o o d a c c u r a c y a n d s t a b i l it y Ke y wor d s p o t e n t ia l t r a n s f o r me r v e r if y r a t io e r r o r a n g l e e r r o r s ig n a l p r o c e s s in g 0 引 言 测量用高压电压互感器是 电力系统中实现 电能 计量 的关键设备之一 其 准确与否将 直接影响 电能 量的计量与电费结算 关于测量用 的电压互感器准 确度等级及误差限值 误 差校验方法 和检定周期均 有严格规定 但常规的校验方法需要的设备多且笨 重 不利于现场校验 j 近 1 O年来市场上 出现 了 超小型现场用升压器 标准器及互感器校验仪等设 备 普遍采用基于测量误差与导纳的方法计算一次 回路 电阻和漏电抗 为了现场准确测量 电压互感器 的误差 比差和 角差 对上述原理加 以了改进 从原理上 消除分布 电容的影 响以及避免 激磁 导纳的测量 同时通过一 个 固定 电阻负载实 现互感器 各种负 载下 的误差测 试 使得测量准确度达到检定规程 的要求 针对 系 统中的四路不同电压等级的信号 设计了新型的信 号调理及采样电路 使得信号更加平滑 保证系统测 试数据的精度 与传统的比对法误差测量方法相 比 具有体积小 重量轻 便于携带 不需要对应标准 互感器等优点 1 电压互感器的误差测试原理 1 1 基 准点 空载误 差测 量 电压互感器的误差测试采用低校高的方法 首 先在电压互感器一次侧 加一较低的试 验 电压 采 用 常规的测试方法测试一 组基本误差 然后 在 电压 互感器的二 次侧施加 与一次侧相等效 的试验 电压 测量激 磁导纳 再依 次在二次 侧施 加额定 电压 的 8 0 1 0 0 1 2 0 的电压 测量激磁导纳 最后 推 算 出 8 0 1 0 0 1 2 0 点位的误差 电压互感器的 一 次侧等效电路如图 1所示 从等效电路可 以推倒 出电压互感器 的误差为 一 Z1 V m 一 k k x Z l r E Z 2 L 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 5 1卷第 l1期 2 0 1 4年6月 1 O日 电测与仪表 Ele c t r ic a l M e a s u r e me n t I n s t r ume nt a t io n V0 1 5 1 No 1 1 J un 1 0 2 01 4 图 1 电压互感器的一次侧等效 电路 Fi g 1 Pri ma r y s i de e q u iv a le n t c ir c u it o f p o t e n t ia l t r a n s f o r me r 第一项为空载误差 与互感器激磁导纳和分布 电容以及一次漏阻抗有关 第二项为负载误差 与 一 二次漏阻抗及负载有关 对固定负载和确定 的互 感器 其负载阻抗为常数 可见相对 于不 同测试 电 压下其误差 的差值与 负载无关 仅取决于互感器 的 一 次漏阻抗以及不同电压下的激磁导纳差 即 2 1 Z j y m l y II l 2 2 通过两次较低 电压 下误差和激磁 导纳的测量 即可算 出一次漏抗 后续只需在 电压互感器二次测 量测试点下的激磁导纳 就可以求 出测试点的误差 但在现场测试中 测试 电压一般较低 前后两次i贝 0 量 的误差增量较小 以及激磁导纳 的非线性特性 和分 布电容的影响 可能使得测试误差偏大甚至达到无 法接受的程度 因此需要对测试原理进行改进 电压互感二次侧等效 电路如 图 2所示 为模 拟 一 次 回路 电阻压 降 在被检 电压互感器 的二次侧 串 人一低值参考电阻 R 图2 电压互感器二次侧等效电路 F ig 2 S e c o n d a r y s id e e q u iv a le n t c i r c u i t o f po t e n t ia l t r a n s f o r me r R 两端电压与互感器二次电压 比为 尺 Z 1 丽 Y c Y c 尺 3 p 一 2 y m 1 p 在两次不 同电压下该 电压 比的差值也 只与激磁 导纳差有关 即 卢 2 一 3 R y m 1 一y l m 2 4 如果能保证一次侧测试 电压与二次侧测试 电压 的严格等效条件 则式 2 4 中的激磁导纳是相等 的 可以得到一次侧误差与二次侧 电压比关系为 Z 卢 一 卢 0 1 0 一 2 式中 z 的测量 Z r r 采用测直 流阻抗方 法 却无法直接 贝 4 试 可按照经验取值 对于单绕 组 0 6 1 5 r 对于 2 个绕组串连 一般低压 绕组绕在铁芯上 高压绕组有 2 层 第一层贴着低压 绕组 包裹低压绕组 第二层包裹 第一层高 压绕组 这样只需要第一层高压绕组同低压绕组之间耐压 即 可 1 0 2 0 3 r l 1 2 基准点负载误差测量 基准点空载误差M s 利用传统方法测量 基 准点负载误差 8 的测试与占 类似 在相同的电压幅 度基础上将负载切入 P rr二次侧即可求 出 的 实际值为 占 加 一 由于测试电压可以较低 因 此升压器对标准的绝缘要求低 且容量小 可大大减 小设备 的体积与重量 2 电压互感器测试仪的硬件设计 基于上述原理设计的电压互感器测试仪系统原 理框图如图 3所示 主要 由电源输出模块 信号调理 模块 A D采样模块及人机接 口模块几部分构成 本文主要介绍源 的输出模块及信号调理模块 系统 的核心处理芯片采用 T l的新一代浮点式数字信号处 理器 T M S 3 2 0 V C 3 3 它以高速 低功耗 低成本 易于 开发为显著特点 而且能支持高达 1 5 0 M F L O P S的 运行速率 是便携式 仪器仪表 中需要进行俘点运 算 应用中的一种理想的 D S P器件 露 I输 出 l l l 图 3 系统 原理框 图 F ig 3 S y s t e m p ri n c ip le d ia g r a m 2 1 电源模块 的设 计 电源模块的设计主要采用 电机驱动调压器 的方 式 测试仪是用于测量 电磁式 电压互感器 其测 量范 围为 6 1 1 0 k V的 一般的电压互感器 的励 磁电流 在 2 5 mA之 间 按 照 测量 误 差 时加 压 的 1 2 0 计算 最大 的功率需求 P 为 6 6 0 V A 所 以设 计调压器的输 出容量 为 7 5 0 V A 满足全部 的测试要 求 使用调压器输出的优点是 1 不需要散热 控制起来方便 简洁 2 输 出功率大 3 源的输 出稳定 可靠 信号调理电路及 A D采样的设计 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 5 l卷第 l 1 期 2 0 1 4年6月 1 0日 电测与仪表 El e c t r ic a l M e a s u r e me n t I n s t r ume n t a t io n VO 1 5 1 No 1 1 J u n 1 0 2 0 1 4 系统中有四路测试信号需采样计算 即待测电 压信号 u 标准电压信号 u 差值信号 及为测量 一 次绕组而施加的直流电压信号 其中u 和 u 的电压变化范围为1 4 0 V A u的电压变化范围为 2 m V l V 直流电压信号的变化范围比较小 一般在 6 2 0 V 为了缩小信号 的变化范 围 设计 中把 A D的输 入范围设置为 5 V 在信号进入 A D采样前 设计 了信号调理电路 其中 待测电压信号 的电 路设计如图 4所示 图4 待测电压信号的电路 图 F ig 4 Un d e r t e s t v o l t a g e s ig n a l c ir c u it d ia g r a m 待测电压信号 U 是差分信号 故输入级选用差 分放大器 I N A 1 2 8 P 其对共模输入信号有很强的抑 制能力 对差模信号却没有多大的影 响 因此差分放 大电路一般做集成运算的输入级和中间级 可以抑 制由外界条件的变化带给电路的影响 由于 U 的电 压变化范围较大 故设计了两级运放电路 使得 电压 的变化范 围限制在 5 V内 其 中 0 1 0 7芯片是一种 低噪声 非斩波稳零 的双极性运算 放大器集成电路 其低失调 高开环增益的特性使得 O P 0 7特别适用于 放大微弱信号等方面 R L 和 R L 是两个继电器 利 用 D S P控制继 电器线圈的通 断 可 以实现信 号 的四 种不同放大倍数选择 从而使得输入信号能够控制 在 A D的输入范围内 另外三路电压信号的调理电 路与之类似 其主要设计思想是 1 运用运放电路对大信号进行衰减 对小信号 进行放大 2 设置多级放大倍数 使信号更加平滑 3 使用高精 度线绕 电阻 其特点是精度 高 温 漂小 保证系统测试数据的精度 4 信号经过 一系列处 理后 后 置低通 滤波 电 路 滤除采样信号中的高频信号干扰 以得到更好的 精度 如图 5所示 四路电压信号的采样选用 A D 7 8 6 5芯片 它是一 图 5低 通 滤波 电路 Fig 5 Lo w p a s s f i l t e r c ir c u it 种高速 低功耗 四通道 同步采样 的 1 4位 A D转换 芯片 它完成四通道信号的同时转换只需要 1 0 0 lx s A D 7 8 6 5内部 4个采样通道 的输入 信号是 同步采样 的 只需发送 1个脉冲的采样启动信号 芯片将 自动 完成采样 逼 近和存 储数 据到片 内特定寄存器 等工 作 四路同时采集时采样速率为 1 0 0 k H z 可以满足系 统计算采样的要求 A D采样 电路如图 6所示 2 3人机 接 口模块 人机接 口模 块采用 A T ME L的 R 4 0 0 0 8实现 该 模块包括 A R M 外 围电路 F L A S H 时钟 电路 键 盘 一 3 一 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 5 1卷第 l 1期 2 0 1 4年6月 l 0日 电测与仪表 El e c t r ic a l M e as u r e me n t I n s t r u m e n t a t io n VO I 5 1 NO 1 1 J u n 1 0 2 0 1 4 液晶显示等 通用 功 能模块 A R M 与 D S P之 间通 过 R S 4 8 5进行通信 A R M发送命令给 D S P以完成相应 的测试任务 并将 D S P发送的数据上传至液晶屏进 行显示 人机接 口模块框 图如图7所示 t q v 舸 I k 兀n I 3 5 5 V B U s Y DV D D RD E O E v D R 垒 U 再 CS AD 4 R D Av d d 2 5 AVCC 1 厂 3 1 5 r C S V 1 A 2l l 2 A G N D C 0 NV S r 3 AD C HI C I 13 r UI C O N V S r I B 0 0 0 0 0 0 一 一 S I B Y 2 A 1 9 0 1 it c2 6 4 0 1 1 t L M7 8 Q 5 WR 2 B A D C H 2 l 垒 C LK 3A A G N D IN T 3B 1 4 A DCH3 I O 0 一 F I 6 V 7 K 一 锄4 A s L 4 4 B ADCH4 2 H e f 2 4 一 l l 一 D 1 3 万一 F I1 S T A S a 1 2 i l 4 C 1 3 1 2 2 8 D B I 3 A 鲥 A G N D J 0 1 一r 2 0 1 0 V 二 互 互 DB 12 I Dio 3 0 D B l l D o 3 1 朋l 0 D G N D 3 7 I I 1 丝 D B 9 D B 4 3 9 D 3 3 D 硝 D B 3 墨 Q 二 2 D B 7 D B 2 垒 D B 6 D B 1 丝 DJ 翌 册5 D B 0 箜 图 6 A D