专利名称：一种氧化锌避雷器测试仪校验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化锌避雷器测试仪校验装置，属于电力测试仪器的校准、检定 与检测领域，利用该校验装置可以对氧化锌避雷器测试仪主要的测量功能即全电流、阻 性电流、容性电流、参比电压、相角、谐波分量等测量功能进行高准确度的校验，并且 所产生的各次标准电压、标准电流信号均能同步、方便、有效的进行量值溯源。
背景技术：
随着氧化锌避雷器被广泛应用，电力系统的安全性得到了极大的提高。但是由于 氧化锌避雷器工作环境恶劣，容易产生老化等现象，所以对氧化锌避雷器定期进行检测 十分必要。鉴于这种情况，国内很多电力测试仪器制造厂家开始研制、生产氧化锌避雷 器测试仪。但据调査，国内市场上的氧化锌避雷器测试仪质量参差不齐，对这类测试仪 进行校验并对用户提供可靠的校验数据对提高预防性试验的质量具有积极意义。在 《DL/T 987-2005氧化锌避雷器阻性电流测试仪通用技术条件》中，明确要求对氧化锌 避雷器测试仪的全电流、阻性电流、容性电流等测量功能进行检测。
根据申请人所知，目前国内有关技术单位校验氧化锌避雷器测试仪的方法主要包 括传统的RC阻容网络法和普通标准信号源法，各有不足，具体分析如下
其中，传统的RC阻容网络法，其原理是在工频电压(即参比电压)的激励下，
通过阻容网络的配置产生与参比电压具有一定相位差的电流信号(即全电流)，产生的
参比电压和全电流可用于对氧化锌避雷器测试仪进行校验。该方法的不足是回路中使
用的标准电阻、标准电容受环境影响较大，接线繁琐，操作复杂，对测量结果的影响较 大，且测试数据单一，相角问题不易解决，校验工作必须的谐波电压和谐波电流无法产 生，且受试品影响导致标准值变化较大，进而影响对氧化锌避雷器测试仪的校准结果
其中，普通标准信号源方法，其原理是利用电子电路等技术，产生标准信号源即 直接给出一路参比电压信号和一路全电流信号，用以对氧化锌避雷器测试仪进行校验。 利用该方法产生的参比电压和全电流基本可以实现含有各次谐波电压和谐波电流分量。 该方法的不足是仅通过这种思路设计的校验装置本身的量值溯源很难得到保证，比如 采取普通标准信号源法给出的全电流时，各次谐波电流的幅值、相位、频率等参数很难 高准确度的溯源，简单的说就是难以得到验证，其原因在于这些谐波电流分量包含在
全电流里，对这些分量进行溯源时只能通过信号分析(比如傅里叶变换等)手段"间接" 的计算出来，这种"间接"的计算或提取过程无疑会降低谐波电流分量溯源结果的可信 度，其结果就是导致基于该方法的氧化锌避雷器测试仪校验装置的设计方案很难保证全 电流中各次谐波电流分量的良好溯源性，也就是各次谐波电流分量的幅值、相位、频率 到底准确与否很难说清楚；同理，基于普通标准信号源给出的参比电压含谐波电压时，
各次谐波电压的幅值、相位、频率等参数很难高准确度的溯源。
综上所述，目前国内可以参考的校验装置和校验方法在工作原理和可溯源性上均存 在不足，准确度不能满足要求，市场上大量的氧化锌避雷器测试仪标称的最大允许误差
只达到幅值测量0.5%，角度测量0.2。左右，急需设计具有良好可溯源性的氧化锌避雷 器测试仪校验装置，也就是准确度高并且可以得到有效验证的氧化锌避雷器测试仪校验 装置，满足目前校验工作的紧迫需要。
发明内容
本发明的目的是针对现有氧化锌避雷器测试仪校验装置设计原理上的不足，尤其是 校验装置在可溯源性上的不足进行了改进，提供一种氧化锌避雷器测试仪校验装置，具 有良好可溯源性，并提高校验精度。
为了实现上述目的，本发明技术方案提供一种氧化锌避雷器测试仪校验装置，由控 制器、信号产生模块、精密电流源模块、参比电压回路信号调理模块、精密四端电阻、
精密电压互感器组成，其特征在于控制器的输出控制信号分别连接5个信号产生模块
的控制端，其中有3个信号产生模块的输出分别连接相应的3个精密电流源模块的输入， 3个精密电流源模块分别通过相应的3个精密四端电阻输出相应的电流分量，并联后各 电流分量叠加提供全电流输出，其中有2个信号产生模块的输出分别连接相应的2个参 比电压回路信号调理模块的输入，2个参比电压回路信号调理模块的输出分别与相应2 个精密电压互感器原边相连接，通过偶合，2个精密电压互感器的副边分别输出相应的 电压分量，2个精密电压互感器的副边相串联后电压分量叠加提供参比电压输出。
其工作原理为在控制器的控制作用下，每个信号产生模块可以产生独立的幅值、 频率、相角可调的高度平滑的正弦信号单元，这些正弦信号单元可对后级各自独立的精 密电流源模块、参比电压回路信号调理模块、精密电压互感器进行激励，从而形成相互 独立的各次电流分量和电压分量驱动信号，并且各次电流分量通过直接并联相加，最终 合成并输出含有各次谐波分量的全电流，而电压分量驱动信号则通过驱动精密电压互感
器偶合，其副边串联相加并最终输出含有各次谐波分量的参比电压。
如上所述的氧化锌避雷器测试仪校验装置，其特征在于信号产生模块采取基于 DDS芯片AD9951的电路，用DDS芯片的直接数字合成技术来方便的产生频率稳定可 调、幅值稳定可调、相位稳定可调并且曲线高度平滑稳定的正弦信号。
其次，本发明在设计上还采用了如下核心技术
1、 幅值、频率和相位稳定可调且曲线平滑的正弦信号产生模块 为了达到高准确度的校验目的，首先需要生成若干基本的正弦信号单元，这些正弦
信号单元将用来激励后置的电流源电路和恒压源电路并产生相应的标准参比电压和标
准全电流。为了首先获得幅值和频率稳定可调、且曲线平滑的正弦信号单元，采取了直
接数字合成技术即DDS芯片来产生正弦信号。直接数字合成技术目前主要在高频信号 领域采取较多，在电气测试领域使用还较少。其主要特点是基于直接数字合成理论，提 出了一种频率可高速变化的正弦信号(或任意周期波形)产生办法，这种技术应用在本
发明中可方便的产生频率稳定可调、幅值稳定可调、相位稳定可调并且曲线高度平滑稳 定的正弦信号。其中正弦信号的频率除了可为50Hz基波外，还可方便的配置成各次
谐波频率，并且非常稳定；正弦信号的幅值分辨率可达14位，满足本发明的需要；更
重要的是正弦信号曲线虽然仍为离散化的，但是曲线幅值的刷新间隔小于lus，非常平 滑，通过普通示波器己看不到"阶梯"，这种"曲线高度平滑"的效果完全可以避免采取后 续的滤波电路，从而大大减少的滤波电路带来的幅值和相位的负面效应。
2、 精密电流源电路和参比电压回路信号调理电路的设计采取了"模块"化的方式 本发明对核心的精密电流源电路和参比电压回路信号调理电路在设计上采取了"模
块"化的方式。即每个精密电流源模块或参比电压回路信号调理模块的输入信号为一个 独立纯净的正弦信号，该信号来自直接数字合成电路即DDS芯片，在独立的幅频可调 的正弦信号的激励下，每个精密电流源模块或参比电压回路信号调理模块可分别输出不 同幅值、频率、相位的电流、电压分量，这些电流、电流分量可作为全电流和参比电压 的各个分量，并且每个精密电流源模块选取了高性能器件，接近输出阻抗无穷大的理想 电流源要求，并且基于输出阻抗接近无穷大的特点，这些精密电流源模块可以直接并联 以合成全电流信号，达到电流相加的目的。同时参比电压回路信号调理模块也可是直接 串联合成参比电压信号。基于这种"模块"化思想，本发明形成了如下特点在输出全电
流和参比电压的同时能将各次电流分量和电压分量分别引出，这种方式有利于在本校验 装置去上级单位溯源时可以在输出全电流和参比电压的背景下同时根据需要引出各次
电流分量和电压分量，也就是可以"同步"对任意谐波分量的幅值、频率、相位进行溯 源，大大提高了溯源结果的有效性，保证了本校验装置产生的各次谐波分量的准确度。 3、精密电压源的设计中采取了精密电压互感器
本发明在输出参比电压时，专门制作了原边低压，副边高压的高精度电压互感器。 通过这种输出方式避免了利用高压功率放大器升压的不足。
本发明的有益效果是，使用本氧化锌避雷器测试仪校验装置，可以对氧化锌避雷 器测试仪主要的测量功能即全电流、阻性电流、容性电流、参比电压、相角、谐波分量 等测量功能进行高准确度的校验，并且所产生的各次标准电压、标准电流信号均能同步、 方便、有效的进行量值溯源。并且重要特点在于各次电压、电流分量均可以在同一时刻 通过相应的回路"同步"进行溯源，验证其准确度。
图1，是传统的基于标准信号源法的氧化锌避雷器测试仪校验装置原理示意图。
图2，是本发明实施例的氧化锌避雷器测试仪校验装置原理框图。
图3.1，是图2中控制器的电路原理图。
图3.2，是图2中一路信号产生模块的电路原理图。
图3.3，是图2中一路精密电流源模块电路原理图。
图3.4，是图2中一路参比电压回路信号调理模块和精密电压互感器的电路原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图中的标记1—控制器，21、 22、 23、 24、 25—信号产生模块，31、 32、 33—精 密电流源模块，34、35—参比电压回路信号调理模块，41、42、43—精密四端电阻，54、 55—精密电压互感器，Iat、 Ia2、 Ia3 —电流分量，U3l、 Ua2 —电压分量，I一全电流， U—参比电压。
参见图1所示传统的基于标准信号源法的氧化锌避雷器测试仪校验装置原理示意 图，是一项电的电路图。它利用该校验装置产生的参比电压U和全电流I基本可以实现 含有各次谐波电压和谐波电流分量。该方法的不足是仅通过这种思路设计的校验装置 本身的量值溯源很难得到保证，其分量进行溯源时只能通过信号分析(比如傅里叶变换 等)手段"间接"的计算出来，这种"间接"的计算或提取过程无疑会降低谐波分量溯
源结果的可信度。参见图2所示本发明实施例的氧化锌避雷器测试仪校验装置原理图，这是一项电的 相应电路。由控制器l的输出控制信号连接信号产生模块21、 22、 23、 24、 25的控制 端，信号产生模块21、 22、 23的输出分别连接相应精密电流源模块31、 32、 33的输入， 精密电流源模块31、 32、 33的输出分别通过精密四端电阻4K 42、 43产生输出电流分 量Ia,、 Ia2、 Ia3，并联叠加后产生全电流I输出。信号产生模块24、 25的输出分别连 接相应参比电压回路信号调理模块34、 35的输入，参比电压回路信号调理模块34、 35 的输出端分别与精密电压互感器54、 55原边相连接，通过偶合，精密电压互感器54副 边产生电压分量输出Ua,，精密电压互感器55副边产生电压分量输出Ua2， 二个精密电 压互感器54、 55副边相串联使各输出电压Ua,、 Ua2叠加，提供参比电压U输出。其工作原理为在控制器l (具体为单片机C8051F020)的控制作用下，每个信号 产生模块21、 22、 23、 24、 25 (基于DDS芯片AD9951实现，参见图3.2)可以产生 独立的幅值、频率、相角可调的高度平滑的正弦信号单元，这些正弦信号单元可对后级 各自独立的精密电流源模块31、 32、 33 (基于精密运放OPA228芯片构成，参见图3.3)、 参比电压回路信号调理模块34、 35 (基于精密高电压运放OPA454芯片构成，参见图 3.4)、精密电压互感器54、 55进行激励，从而形成相互独立的各次电流分量Ia,、 Ia2、 Ia3和电压分量U^、 Ua2驱动信号，并且各次电流分量仏、Ia2、 1&通过直接并联相力口， 最终合成并输出含有各次谐波分量的全电流I，而电压分量l^、 Ua2驱动信号则通过驱 动精密电压互感器54、 55串联相加并最终输出含有各次谐波分量的参比电压U。在本实施例中，信号产生模块21、 22、 23、 24、 25采取了基于DDS芯片的直接数 字合成技术来方便的产生频率稳定可调、幅值稳定可调、相位稳定可调并且曲线高度平 滑稳定的正弦信号。在本实施例中，在设计上釆取了 "模块化叠加"的方式，采用了精密电流源模块 31、 32、 33和参比电压回路信号调理模块34、 35。在本实施例中，为了避免了利用高压功率放大器升压的不足，在设计中采取了通过 精密电压互感器54、 55来输出参比电压。
权利要求
1、一种氧化锌避雷器测试仪校验装置，由控制器(1)、信号产生模块(21)(22)(23)(24)(25)、精密电流源模块(31)(32)(33)、参比电压回路信号调理模块(34)(35)、精密四端电阻(41)(42)(43)、精密电压互感器(54)(55)组成，其特征在于由控制器(1)的输出控制信号连接信号产生模块(21)(22)(23)(24)(25)的控制端，信号产生模块(21)(22)(23)的输出分别连接相应精密电流源模块(31)(32)(33)的输入，精密电流源模块(31)(32)(33)的输出分别通过精密四端电阻(41)(42)(43)产生输出电流分量Ia1、Ia2、Ia3，并联叠加后产生全电流I输出，信号产生模块(24)(25)的输出分别连接相应参比电压回路信号调理模块(34)(35)的输入，参比电压回路信号调理模块(34)(35)的输出端分别与精密电压互感器(54)(55)原边相连接，通过偶合，精密电压互感器(54)副边产生电压分量输出Ua1，精密电压互感器(55)副边产生电压分量输出Ua2，二个精密电压互感器(54)(55)副边相串联使各输出电压Ua1、Ua2叠加，提供参比电压U输出。
2、 如权利要求1所述的氧化锌避雷器测试仪校验装置，其特征在于信号 产生模块(21) (22) (23) (24) (25)信号产生模块采取基于DDS芯片AD9951 的电路。
全文摘要
一种氧化锌避雷器测试仪校验装置，包括控制器、信号产生模块、精密电流源模块、参比电压回路信号调理模块、精密四端电阻和精密电压互感器。在控制器的作用下，每个信号产生模块产生独立的幅值、频率、相角可调的高度平滑正弦信号，这些正弦信号对后级各自独立的精密电流源模块、参比电压回路信号调理模块、精密电压互感器进行激励，从而形成相互独立的各次电流分量和电压分量驱动信号，电流分量通过直接并联相加，合成并输出全电流，电压分量通过驱动精密电压互感器副边串联相加输出参比电压。利用该校验装置可以对氧化锌避雷器测试仪主要的测量功能即全电流、阻性电流、容性电流、参比电压、相角、谐波分量等测量功能进行高准确度的校验。
文档编号G01R35/00GK101393255SQ200810197550
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者军 张, 王斯琪, 章述汉, 陈习文, 民 雷, 琼 项 申请人:国网武汉高压研究院