专利名称：数字式容升补偿仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电压测量仪器，属于国际专利分类表G01R19/00，特别涉及一种在试验变压器低压侧测量工频试验电压的仪器。
对电工设备进行工频耐压试验时，只有当被试品的电容量很小时，才可近似地由试验变压器低压侧电压乘以电压比K计算出高压值。当被试品电容量较大时，由于试验变压器阻抗的作用，使试验电压显著大于按电压比K计算的值，即通常所称的“容升”现象。试验变压器的测量线圈与高压线圈之间的阻抗约为其高、低压线圈间阻抗的2/3，所以在测量线圈测量试验电压也只能减低“容升”，并不能准确测量试验电压。目前工业上都是采用高压电容分压器等设备在高压侧测量试验电压，由于这些高压测量设备必须能承受很高的电压，所以体积大，造价高，也不便携带使用。
本人获得授权的实用新型“工频试验电压测量装置”(专利号ZL95222643.X)通过对低压侧(或测量线圈)电压进行补偿的方法，使补偿后电压表测得的电压与高压侧试验电压仍然保持电压比K的关系。从而实现了在低压侧(或测量线圈)准确测量试验电压，代替了笨重、昂贵的高压测量设备。
该实用新型还初步提出了在所述“工频试验电压测量装置”上装设电压表及电流表的设想，但没能提出装设什么样的电压表、电流表以及怎样装设的具体技术方案。
实用新型“工频试验电压测量装置”所述的测量装置，如不装上仪表，使用时先要将该装置接到试验变压器上，再将电压表、电流表接到该装置上，这在电力部门现场试验时是很不方便的。
本实用新型的目的在于提出为“工频试验电压测量装置”装设电压表、电流表的具体技术方案，使之形成一个一体化的测量仪器——“数字式容升补偿仪”，减少使用接线，便于携带，方便试验部门特别是电力部门工程现场试验使用。
上述目的是通过采取下述几项技术措施达到的1、采用数字式面板表除电压表外，为监测试验电流还应装设相应的电流表。为保证测量精度，两个表都应有不低于0.5级的准确级。在指针式仪表中，只有在试验室中独立使用的可携式仪表才能达到0.5级，然而这种仪表体积较大，不能安装在仪器上。能安装在仪器上的面板表一般都不高于1.5级，准确级不够。所以只能采用面板式数字表，这种表体积小，准确级可达0.5级以上，而且数字式电压表的内阻可达10MΩ，下面的分析将要看到，这有助于减少测量误差。
2、测量仪器中的电流互感器装在试验变压器的低压侧。实用新型“工频试验电压测量装置”中提出，电流互感器可以接于试验变压器高压侧的接地点，也可以接于低压侧回路中。当然这两种情况下电流互感器一次电流的差别是很大的。我们首先试用了电流互感器接于高压侧接地点的方案，结果发现虽然在正常试验情况下仪器能正常工作，但当被试品闪络或击穿放电时，数字表会损坏。这是由于被试品放电时引起地电位升高，反击到数字表，数字表中的芯片承受过电压的能力很低，故损坏了。而采用电流互感器接于试验变压器低压侧的方案，由于仪器与高压侧完全隔离，即使被试品放电时，数字表也不损坏，仍能正常工作。本人获得授权的另一项实用新型“在低压侧测量工频试验电压的装置”(专利号ZL99209399.6)测量阻抗元件直接接于试验变压器高压侧接地点，同样由于被试品放电引起的地电位升高造成的反击，使得不可能在该方案中使用数字表。
3、电流互感器由多量程的改为单量程的，原实用新型“工频试验电压测量装置”中电流互感器一、二次线圈均有多个抽头，用两个转换开关切换。切换一次各抽头以适应不同的输入电流，切换二次各抽头以产生不同的补偿电压。实际使用时只使用其中某一个抽头，其他各抽头是闲置的。
为了缩小仪器的尺寸，真正作到便携式的，本实用新型中取消了多抽头和两个转换开关，简化了仪器结构。这样开发出的产品一种只能适应一种规格的试验变压器，但可以开发多种规格产品来适应不同规格试验变压器的需要，这样产品虽不具通用性，但更有针对性。好在常用的试验变压器规格也并不多，需要开发的仪器规格只有14种，而且各规格的结构是一样的，测量阻抗元件也是通用的，只是电流互感器参数不同。
4、只对试验变压器的阻抗电压进行补偿，略去保护电阻R1上的压降，下节的计算表明，这种忽略引起的测量误差是完全可以接受的。之所以采取这种方案，原因在于保护电阻R1大多数是水电阻，由用户自行配制且阻值的随意性较大，当制造带有本“数字式容升补偿仪”的一体化试验变压器时，无法在出厂前进行仪器的整定。
改进后的仪器原理接线图请见附图，图中虚线框内为本仪器，
图1为本仪器用于在试验变压器低压侧测量试验电压的接线图。图2为本仪器用于在测量线圈测量试验电压的接线图。在两图中仪器本身(虚线框内)是一样的。
附图中1-试验变压器低压线圈2-试验变压器高压线圈3-试验变压器测量线圈4-保护电阻R15-被试品6-电流互感器，其电流比为Kc7-可调测量电阻R8-可调测量电抗X9-数字式电流表A10-数字式电压表VW1-电流互感器二次电流段线圈，其匝数为ω1W2-电流互感器二次增压段线圈，其匝数为ω2L-数字表的低端H-数字表的高端本仪器的构成(参见附图)试验变压器低压侧电流 通过电流互感器(6)的一次线圈，电流互感器(6)的二次线圈有两段电流段线圈(W1)和增压段线圈(W2)。电流段线圈(W1)与电流表(9)测量电阻R(7)、测量电抗X(8)相接，构成二次电流回路。由于电流互感器(6)是加极性的，二次电流 在测量阻抗R+jX上产生的压降为(-I.1/KC)(R+jX)]]>。由于电流表(9)的内阻为0.1Ω，其上的压降可以忽略，电流段线圈(W1)的电势可认为也等于这个压降(-I.1/KC)(R+jX)]]>。(W1)、(W2)两段线圈上的电势与其匝数成正比，因此(W2)段线圈的电势为(-I.1/KC)(R+jX)ω′2/ω′1]]>。补偿电压B利用测量阻抗上的压降与增压段线圈(W2)的电势之和U.B=(-I.1/KC)(R+jX)+(-I.1/KC)(R+jX)ω′2/ω′1]]>=(-I.1/KC)(R+jX)(1+ω′2/ω′1)]]>=(-I.1/KC)(R+jX)Kp......(1)]]>式(1)中Kp＝1+ω′2/ω′1，是增压系数。
测量电阻(7)、测量电抗(8)，增压段线圈(W2)与电压表(10)串起来构成电压测量回路，接于试验变压器的低压侧(1)或测量线圈(3)。
下面参照附图，对本仪器的测量原理及其误差进行详细分析。
为了便于分析，引用电机学中关于试验变压器一、二次电压的相量关系式U.′2=U.1-I.1(RK+R′1+jXK).......(2)]]>式中1、 ——低压侧电压、电流；K——高、低压侧间电压比；′2＝2/K——折合到低压侧的高压侧试验电压值；
RK、XK----折合到低压侧的短路电阻、短路电抗值；R′1＝R1/K2——折合到低压侧的保护电阻值。
电机学从式(2)的相量图导出的试验变压器一、二次电压的标量关系式U′2≈U1-I1[(RK+R′1)Cosφ2+XKSinφ2] (3)式(3)中φ2为被试品的阻抗角。
1、在试验变压器低压侧测量试验电压参见图1，忽略保护电阻R1(4)上的压降，式(2)变为U′.2=U.1-I.1(RK+jXK)......(4)]]>本仪器与所配套的试验变压器首次一起使用时，需一次性调试，可调测量阻抗R+jX调到下式决定的值R＝RkKc/Kp(5)X＝XKKc/Kp(6)将式(5)、(6)代入式(1)得到补偿电压U.B=-I.1(RK+jXK)]]>数字电压表V(10)测得的电压U.V=U.1+U.B=U.1-I.1(RK+jXK)......(7)]]>比较式(4)与式(7)可知V＝′2＝2/K即2＝KV(8)式(8)表明仪器由电压表(10)测得的电压V乘以电压比K就得到变压器试验电压2，从而测出了试验电压。
2、在试验变压器测量线圈测量试验电压在图2中，具有测量线圈(3)的试验变压器实质上是一种三绕组变压器，折合到一次侧的三次绕组测量线圈(3)的端电压为U.3′=I.1(RK2+jXK2)+U.2′.....(9)]]>式(9)中RK2、XK2为二次线圈短路阻抗，约为一、二次间短路阻抗RK、XK值的2/3。
将式(9)两端除以一、三次间的电压比K13，得到折合到测量线圈(3)侧的电压为U.3=I.1(RK2+jXK2)/K13+U.2′′]]>或U.′′2=U.3-I.1(RK2+jXK2)/K13]]>式中2″＝2′/K13＝2/K23为折合到三次侧的2值。(K23为二、三次间电压比。)式(10)与式(4)类似，表明测量线圈电压3不等于高压的折合值2″，其差别是折合到三次侧的二次侧阻抗电压I.1(RK2+jXK2)/K13]]>。这就是测量线圈不能准确测量高压侧电压的原因。
测量阻抗的值按下式调节R＝RK2KC/KP/K13(11)X＝XK2KC/KP/K13(12)由图2可知U.B=-(I.1/KC)(R+jX)Kp......(13)]]>将式(11)、(12)代入式(13)得U.B=-I.1(RK2+jXK2)/K13.....(14)]]>电压表(10)测得电压U.V=U.3+U.B=U.3-I.1(RK2+jXK2)/K13......(15)]]>比较式(15)、(10)可知
V＝2″＝2/K23(16)即 2＝K23V这表明电压表(10)的读数V乘以电压比K23就等于高压侧试验电压2。在测量线圈测量和在低压侧测量的装置是一样的，只是参数调定值不同。
一般高压侧与测量线圈之间的电压比K23制成整数1000，这样在测量线圈测得的电压伏特数正好是高压侧电压的千伏数，这就是使用测量线圈的方便之处。
如果试验中发生高次谐波谐振，则谐振电流通过电流互感器(6)反映到测量阻抗上，使测量装置输出谐振电压的折合值。故本测量仪器能正确反映谐振现象。
3、测量仪器的接线与调试测量仪器是有极性的。必须按图1、图2所示极性接线。图中用圆点“.”标出了各线圈的同名端，如果极性接反了，电压表指示不但没有增加“容升”部分，反而减少了它，将比U′2低很多。下面将说明调试时判明极性的方法。
测量仪器与所用试验变压器配套时，首次使用需经一次性调试。现以在低压侧测量的方法为例说明如下，在测量线圈测量时，调试方法与此相同。
按图1接线并将试验变压器高压输出端接地，作短路试验，在低压侧加额定电流。先将测量阻抗R、X置零，然后逐渐调大X值，如电压表(10)指示值随之减小，说明极性正确，否则应检查接线的极性，改正后再调试。反复调节R、X值，使电压表(10)指示为零或接近零的最小值。调好后将R、X元件滑动点锁定即可。电压表(10)指零说明U.B=-I.1(RK+jXK)]]>，使式(7)、(8)均成立，因而满足本方法的条件，调好的测量阻抗R、X值即是与所配套变压器阻抗相匹配的值。仪器就可与该台试验变压器配套使用了。这种短路试验的方法也可作为检验仪器是否整定到与所用试验变压器匹配的手段。
4、误差分析4.1忽略保护电阻R1(4)上压降引起的测量误差将式(3)折合到高压侧，得到试验电压U2＝KU1-I2[(K2RK+R1)Cosφ2+K2XKSinφ2] (17)本实用新型的测量仪器只补偿试验变压器自身阻抗对试验电压的影响，忽略了保护电阻R1对试验电压的影响，即忽略了式(17)中-I2R1Cosφ2项。下面考察这种忽略引起的误差。
当试验达到额定电流即I2＝I2n时，误差ΔU2＝I2nR1Cosφ2最大，此时的引用误差ΔU2/U2n＝I2nR1Cosφ2/U2n＝[R1/(U2n/I2n)]Cosφ2(18)通常按试验变压器的额定阻抗(U2n/I2n)的百分之一左右选用保护电阻值R1，一般R1/(U2n/I2n)＜2％。被试品绝缘在耐压试验中呈现的功率因数Cosφ2，近似等于绝缘的介质损失角正切值，即Cosφ2≈tgδ，正常绝缘的tgδ小于百分之几，极限情况tgδ＜10％。
当tgδ＞10％时为绝缘严重受潮，不允许进行耐压试验。
将R1/(U2n/I2n)≤2％及Cosφ2≤10％代入式(18)ΔU2/U2n≤0.2％可见最不利的情况，忽略保护电阻R1上的压降引起的引用误差也小于0.2％，是完全可以接受的。在通常情况下此项误差小于0.05％。
4.2电压表内阻对测量精度的影响在使用条件下，从电压表(10)两端往测量仪器看进去，是一个有源一端口网络。根据电工学中戴维南定理，可推导出电压表内阻RV引起的测量误差Δ＝(UV-U′2)/U′2＝-RKP2/RV×100％ (19)在下面将要述及仪器的具体参数中，测量电阻R≤47Ω，KP≤6，数字电压表的内阻RV＝107Ω，代入式(19)中得到|Δ|≤0.017％可见由于数字电压表的高内阻，已使此项误差小到完全可以忽略不计。本实用新型所述的仪器使用0.5级数字面板表，通过上述误差分析可知，仪器的系统误差小于1％，满足国家标准GB311.4-91《高电压试验技术》规定的高电压测量误差小于3％的要求。
5、构成自带测量仪表的一体化新型试验变压器此时测量电阻(7)，测量电抗(8)可采用非可调的器件，其数值在出厂前整定好。这两者连同电流互感器(6)都装于试验变压器内部，而数字电流表(9)、数字电压表(10)装在试验变压器箱盖上的仪表盒中，盒中仪表与试验变压器内其他部件采用接插件联接，便于两个表的维修与更换。
与实用新型“工频试验电压测量装置”(ZL95222643.X)和“在低压侧测量工频试验电压的装置”(ZL99209399.6)相比较，本实用新型所述的仪器具有以下的优点1、构成了可同时测量试验电压和电流的一体化测量仪器，使用时减少了接线，同时便于携带到工程现场。
2、本仪器与试验变压器高压侧完全隔离，使用中遇到被试品放电时，不受过电压的波及，对仪器本身及使用人员更安全。
与传统的高压测量设备相比，本实用新型所述的仪器具有下列优点1、体积小、重量轻、价格低，并且可与试验变压器一体化，使用方便。通常的高压测量设备的体积、重量和价格随电压增高而急骤增加。本仪器的大小和成本则与高压侧电压无关，重量只有2千克。成本只相当于高电压电容分压器的百分之几。
2、不占试验室空间，不受周围接地体或带电体的影响。
以下描述本实用新型所述仪器的结构和参数。
本仪器有两项额定参数，即额定电流与额定电压。仪器的额定电流即电流互感器(6)一次的额定电流，应等于或略大于所要配套的试验变压器低压侧额定电流。仪器的额定电压即电压表(10)所能测量的最高电压，应略大于所要配套的试验变压器测量线圈(3)额定电压或低压侧(1)额定电压。
表1中第一列为本仪器的4种额定电流规格5A、10A、25A、50A。要求额定电流大于50A的，用外附电流互感器将电流变为5A，再接入额定电流为5A规格的仪器。外附电流互感器可用5VA，0.5级的，一般为穿心式，控制台上通常都装有。
表1中第一行列出的7种额定电压涵盖了各种试验变压器测量线圈(3)或侧压侧(1)的额定电压。
表1 额定电流10A、25A、50A对应10kVA及以下的小容量试验变压器，只有测量线圈(3)额定电压为100V的和低压侧额定电压为220V(用250V档)的试验变压器才有这种小容量的。其他档电压对应的都是低压侧额定电流大于50A的，通过外附电流互感器用额定电流为5A的仪器。表1中划“——”的栏为不存在的仪器规格，带“*”号的栏为应开发的规格，共14种，可适应各种规格的试验变压器。
各元件的参数和结构如下1、电流互感器(6)电流互感器(6)额定输出5VA，0.5级。二次(W1段)额定电流I1/KC＝0.25A。二次负荷最大值R＝47Ω，X＝47Ω。
我国标准《试验变压器》(ZBK-41006-89)规定试验变压器阻抗电压在4％-12％范围内。为能有效地进行“容升”补偿，并留有适当余地，本仪器能调出的最大补偿电压VBm按各档额定电压的20％考虑，列于表2中。
二次线圈电流段匝数ω′1和增压段匝数ω′2由增压系数KP＝(ω′1+ω′2)/ω′1决定。将I1/KC＝0.25A，R＝X＝47Ω代入式(1)中求得各额定电压挡的KP值列在表2中。
表2
2、可调测量电阻R(7)、可调测量电抗X(8)可调测量电阻R(7)采用WX112型线绕电位器，5W，47Ω，带锁紧。
可调测量电抗X(8)采用滑线式，为保持线性，使用带气隙的铁心，绕φ0.5漆包线构成，电抗47Ω，额定电流0.25A。
3、数字式电流表(9)、电压表(10)LED显示和LCD(液晶)显示的两种数字表均可选用。选用31/2位的交流表，0.5级。200V以上的电压表内阻107Ω，2A电流表内阻0.1Ω。
试用的UP5035型数字表，LCD显示，供电电压9V，每个表耗电3mA，用一节电池给两个表供电，可用数月。
UP5135型数字表，LED显示，供电电压5V，每个表耗电120mA，需用整流电源或充电电池供电。
为使电流表(9)和电压表(10)共用一个电源供电，两表的信号低端(附图中用“L”标出)，必须联在一起，因LED型表是共地输入的，即信号低端与电源低端(即负极)是联在一起的。如信号低端不联在一起，则一个表被短路。LCD显示的数字表虽是浮地输入，但信号低端和电源低端不能有1V以上的电压，所以也必须使两表低端相接，才能共用一个电源供电。
UP5035，UP5135两种数字表的尺寸为79×43×35mm，卡式，便于安装。
数字电流表(9)选用满量程为2A的(显示1999mA)，比电流互感器(6)二次额定电流0.25A大8倍。再加上被试品放电时短路电流使电流互感器(6)铁心饱和的作用，电流表(9)不会被被试品放电的短路电流烧坏。
数字电流表的显示值可以调节成不等于输入值。利用这一点可使接于电流互感器(6)二次的电流表(9)直接显示其一次的试验电流I1。例如电流互感器(6)的电流比KC＝50/0.25A，当I1＝50A时，2A的电流表(9)显示数应为250(mA)，可以将表的输入电阻增加1倍(或将AC/DC转换板放大倍数增加1倍)，表的显示数就成了500，再将表的小数点置于个位之前，显示数成了50.0，正好显示一次电流数。
电流表(9)和电压表(10)装在仪器的前面板上，前面板上还装有表的电源开关。电流互感器(6)，测量电阻R(7)和测量电抗X(8)装在仪器箱的中间底板上，后两者的调节柄从中间底板上的孔伸出，打开上箱盖可以调节测量电阻R(7)和测量电抗X(8)的值，对仪器进行整定。
试制样品的尺寸为200×170×90mm，重2kg。
权利要求1.一种测量工频试验电压的仪器，由电流互感器(6)、测量电阻(7)、测量电抗(8)、电流表(9)及电压表(10)构成，其特征在于电流互感器(6)的二次线圈分为两段电流段(W1)和增压段(W2)，电流段(W1)与测量电阻(7)、测量电抗(8)、电流表(9)串联构成二次电流回路，增压段(W2)与测量电阻(7)、测量电抗(8)、电压表(10)串联构成电压测量回路。
2.如权利要求1所述的仪器，其特征在于电流互感器(6)的一次线圈串接于试验变压器低压侧回路中。
3.如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述电压测量回路接于试验变压器低压侧(1)。
4.如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述电压测量回路接于试验变压器测量线圈(3)。
5.如权利要求1所述的仪器，其特征在于测量电阻(7)、测量电抗(8)均是可调的。
6.如权利要求1和权利要求5所述的仪器，其特征在于仪器与试验变压器配套使用前，应将测量电阻(7)、测量电抗(8)调节到与所配套的试验变压器阻抗相匹配的数值。
7.如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述电流表(9)、电压表(10)均是数字式的，交流0.5级。
8.如权利要求1和权利要求7所述的仪器，其特征在于所述数字电流表(9)和数字电压表(10)的两个信号低端相接。
9.如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述电流表(9)用于测量试验变压器低压侧电流，所述电压表(10)用于测量试验电压。
10.如权利要求1所述的仪器，其特征在于所述仪器可与试验变压器制成一体，构成自带测量仪表的一体化试验变压器，此时测量电阻(7)、测量电抗(8)可采用非可调的器件，其数值在出厂前整定好。
专利摘要一种在试验变压器测量线圈(3)或低压侧(1)测量工频试验电压的仪器，由电流互感器(6)、测量阻抗(7、8)、数字式电流表、电压表(9、10)构成。附图中虚线框内为本仪器。仪器与所配套的试验变压器首次使用前，需经一次性调试。仪器可补偿试验中的“容升”从而准确测量试验电压并监测试验电流。测量精度达1％。它可代替笨重昂贵的高压测量设备，并可与试验变压器做在一起，构成一体化试验设备。
文档编号G01R31/12GK2525528SQ02206788
公开日2002年12月11日 申请日期2002年2月18日 优先权日2002年2月18日
发明者杨大成 申请人:杨大成