电力电压互感器谐波传输特性测试的试验系统及测试方法

的第一端以及分压电阻r1的第二端连接，分压电阻r2的第二端、稳压电容c5的第二端和输出电容c6的第二端均接地。
8.进一步的，滤波器为l-c-l滤波器。
9.进一步的，低频谐波源包括隔离变压器tn，整流桥，三极管vt1，稳压电容c5，线性稳压模块，h桥和l-c滤波器；所述隔离变压器tn与整流桥，稳压电容c5，线性稳压模块，h桥以及l-c滤波器级联；所述线性稳压模块包括基极电阻rb，隔离运算放大器d1，驱动电路，分压电阻r1、分压电阻r2和输出电容c6；所述基极电阻rb的一端与三极管vt1的基极连接，另一端与驱动电路的输出端连接，三极管vt1的集电极与稳压电容c5连接，三极管vt1的发射极、驱动电路的地、分压电阻r1的一端、输出电容c6的一端连接在同一个节点，隔离运算放大器的输出端与驱动电路的输入端连接，隔离运算放大器的反向输入端与分压电阻r2的一端以及分压电阻r1的一端连接，分压电阻r2、稳压电容c5和输出电容c6均接地。
10.进一步的，h桥由四个碳化硅mos管组成。
11.基于权利要求上述的高压试验系统的一种电力电压互感器谐波传输特性测试方法，包括以下步骤：
12.s1、测量被测电压互感器的一次侧电压和二次侧电压：
13.无论期望施加的谐波信号的频率是多少，均通过工频电压源被测电压传感器提供工频测试电压，通过锁相放大器a测量被测电压互感器的二次侧电压；
14.当在期望施加的谐波信号下，低频谐波源的传输效率大于等于50％时，采用低频谐波源为被测电压互感器提供谐波电压，否则采用高频谐波源为被测电压互感器提供谐波电压；
15.当在期望施加的谐波信号下，锁相放大器的信噪比大于等于0.01％时，用锁相放大器b测量被测电压互感器一次侧电压，否则用标准电压表测量谐波源的输出电压，作为被测电压互感器的一次侧电压；
16.s2、根据一次侧电压和二次侧电压的幅值和相位计算被测电压互感器谐波传输特性。
17.进一步的，在被测电压互感器的一次侧电压和二次侧电压之前，对所述高压试验系统进行量值溯源；所述量值溯源包括：在仅含有谐波电压的情况下对电容c2的容值进行检定；在同时含有谐波电压和工频电压的情况下对电容c2的容值进行校准；对锁相放大器a、锁相放大器b与前置放大器的测量准确度进行检定。
18.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
19.本发明较好地实现了高低频谐波电压与工频高压的合成，本发明提出的连接方式与直接将谐波电压源和工频变压器串联的方式相比，能够有效减少工频变压器的漏抗对高频谐波的衰减，从而大大降低了对谐波电压源的容量要求。
20.本发明将低频谐波源与高压升压变压器的副边串联，使得变压器漏抗在频率较低时对应阻抗值比较小，因此变压器漏抗对低频谐波的衰减比较小，谐波传输效率比较高，对低频谐波电压源的容量要求不大；然而在频率较高时，变压器漏抗对谐波电压衰减很大，这对高频谐波源的容量提出了很高的要求，因此本发明中高频谐波源不与变压器副边串联，而采用高频谐波源与耦合电容c1串联的方法，此时由于高频谐波阻尼器在所加谐波频率下发生了并联谐振，升压变压器t2漏抗所在支路近似开路，因此加到被测电压互感器原边的
电压仅取决于耦合电容c1和标准电容c2形成的电容分压器的变比，而与漏抗无关，从而大大降低了对高频谐波源容量的要求。
21.进一步的，本发明中，高频和低频谐波源采用线性稳压模块来调节电压，通过调节三极管的管压降来调节输出电压，一是抵抗该线性稳压模块前面的整流桥产生的纹波，二是抵抗工频电流在该线性稳压模块输出电容上产生的电压脉动，使得加在h桥上的电压是平稳的直流电压。且隔离运算放大器d1的开环放大倍数高达1万以上，使得线性稳压模块的控制带宽可以非常高，从而有效抑制扰动，提高波形质量。
22.同时，本发明提出了一种在施加工频电压的工况下测量电力电压互感器原副边谐波传输特性并实现量值溯源的方法，准确测量电压互感器原副边谐波传输特性。
附图说明
23.图1为本发明的实施原理图；
24.图2为低频谐波源与高压升压变压器的副边串联等效示意图；
25.图3为高频谐波源与耦合电容串联的等效示意图；
26.图4为本发明中高低频谐波源的实施原理图；
27.图5为锁相放大器b和前置放大器的标定实验电路图；
28.图6为锁相放大器a的标定实验电路图；
29.图7为在同时含有谐波和工频电压的情况下对标准电容进行校准的电路图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例1
33.电力电压互感器谐波传输特性测试的试验系统，包括工频与谐波电压发生电路以及谐波测量电路两部分，工频与谐波电压发生电路能够实现工频高压与谐波电压的合成，后者对电压互感器tv的原、副边谐波传输特性进行测量并实现量值溯源。
34.工频与谐波电压发生电路由工频电压源、调压器t1、升压变压器t2、高频谐波阻尼器、耦合电容c1、高频谐波源、低频谐波源和dds标准信号源组成。其中，高频谐波阻尼器由电感ld和电容cd并联组成，工频电压源调压器与升压变压器采用级联的方式来提供可以调节的工频高压电压源，调压器t1和升压变压器t2为被测电压互感器tv原边提供工频测试高压电；低频谐波源与升压变压器t2副边串联，为被测电压互感器tv提供低频谐波电压；高频谐波源与耦合电容c1串联，为电压互感器tv提供高频谐波电压；电感ld和电容cd在谐波频率下产生一个极高的阻抗，阻止高频谐波电流通过升压变压器t2分流，使得高频谐波电流几乎全部流过标准电容c2，从而高频谐波电压相对更高，提高传输效率。dds标准信号源的第二输出端高频谐波源连接，第一输出端与低频谐波源连接。
35.该电路中dds标准信号源的作用是产生谐波正弦参考信号u
ref1
和/或u
ref2
，u
ref1
相对于u
ref2
的频率更低一些，并将谐波正弦参考信号u
ref1
提供给低频谐波源作为其给定信号，将谐波正弦参考信号u
ref2
1提供给高频谐波源作为其给定信号。本发明提出的这种连接方式与传统的直接将谐波电压源和工频变压器串联的方式相比，能够有效减少工频变压器的漏抗对高频谐波的衰减，从而大大降低了对谐波电压源的容量要求。具体而言，将低频谐波源与高压升压变压器的副边串联，其等效示意图见图2，这种接线方式的好处在于变压器漏抗在频率较低时对应阻抗值比较小，因此变压器漏抗对低频谐波的衰减比较小，谐波传输效率比较高，对低频谐波电压源的容量要求不大；然而在频率较高时，变压器漏抗对谐波电压衰减很大，这对高频谐波源的容量提出了很高的要求，因此本发明中高频谐波源不与变压器副边串联，而采用高频谐波源与耦合电容c1串联的方法，见图3，此时由于高频谐波阻尼器在所加谐波频率下发生了并联谐振，升压变压器t2漏抗所在支路近似开路，因此加到电压互感器tv原边的电压仅取决于耦合电容c1和标准电容c2形成的电容分压器的变比，而与漏抗无关，通过适当选取c1和c2的电容值，谐波传输效率就可以达到zc2//zin/(zc1+zc2//zin)，此处zin是指电压互感器tv的输入阻抗，zc1是c1的阻抗，zc2是c2的阻抗。从而大大降低了对高频谐波源容量的要求。c1和c2的电容值没有固定的取法，对于同一系统，c1和c2的取值也是不唯一的，但可以通过一些计算得到c1和c2的电容值一定时，高低频谐波源的测试频率范围。
36.通过以下三个条件选取耦合电容c1和标准电容c2的电容值：
37.1)ω1＞ω2；ω1为中间变量,当ω＝ω1时,低频谐波源输出电压与加在被测电压传感器上的电压的相对误差为0.1％；ω2为中间变量,当ω＝ω2时,锁相放大器输入通道的信噪比为1/10000；
38.2)ω3＞200；ω3为中间变量,当ω＝ω3时,低频谐波源的传输效率为50％；
39.3)高频电源传输效率e
高
＞50％；即c1＞c2；
40.满足公式(1)的ω记作ω1
[0041][0042]
其中，
[0043]
表示c1，c2与被测电压互感器的输入阻抗并联的总阻抗，为
电容c1与电容c2并联的总阻抗值，z
in
为被测电压互感器的输入阻抗；ω为频率；l
漏
为被测电压互感器的漏感；
[0044]
满足公式(2)的ω记作ω2
[0045][0046]
其中，
[0047]
其中，i
xhz
为流过c2的谐波电流有效值；i
50hz
为流过电容c2的工频电流有效值；u
谐波源有效值
为谐波源的输出电压有效值；u
50hz
为升压变压器t2输出的工频高压有效值；为耦合电容c1的阻抗；为耦合电容c2的阻抗；为c1与被测电压互感器的输入阻抗并联的总阻抗；
[0048]
满足公式(3)的ω记作ω3
[0049][0050]
谐波测量电路由电容c2，分流电阻rs，前置放大器d，锁相放大器a，锁相放大器b和衰减器构成，电容c2为高压标准电容，分流电阻rs为标准分流电阻。电容c2与电压互感器tv原边并联，分流电阻rs与电容c2串联，分流电阻rs与前置放大器d并联，前置放大器d的输出端与锁相放大器b的输入端连接，电压互感器tv副边与衰减器连接，衰减器与锁相放大器a的输出端连接。
[0051]
dds标准信号源的第三输出端与锁相放大器a的参考端以及锁相放大器b的参考端连接；电容c2的作用是把施加在电压互感器tv原边的工频和谐波的测试电压转化为电流，分流电阻rs将该电流转化为一个小电压信号提供给前置放大器d进行放大，然后将放大后的信号提供给锁相放大器b。锁相放大器的作用是从输入端混合信号中分离并测量与其参考端信号频率相同的信号分量的幅值与相位。本测量电路采用两个锁相放大器(a和b)，其参考端信号由dds标准信号源提供。其中锁相放大器a的作用是测量电压互感器tv二次侧谐波电压的幅值和相位，所测二次侧谐波电压幅值u
2h
满足u
2h
＝k2u
2x
，其中k2是衰减器的比值，u
2x
是锁相放大器a所测谐波信号有效值，所测电压二次侧谐波电压相位φ
2h
满足φ
2h
＝φ
2x
，φ
2x
是锁相放大器a所测谐波信号相位；锁相放大器b的作用是测量电压互感器tv一次侧谐波电压的幅值和相位，所测电压一次侧谐波电压幅值u
1h
满足其中k1是前置放大器d的放大倍数，u
1x
是锁相放大器b所测谐波信号有效值，rs是标准分流电阻的阻值，ω是期望测量的信号频率，c2是标准电容c2的容值，所测一次侧谐波电压相位φ
1h
满足φ
1h
＝φ
1x-90
°
，φ
1x
是锁相放大器b所测谐波信号相位。
[0052]
电压互感器vt的谐波传输特性包括幅频特性和相频特性：
[0053]
电压互感器vt的幅频特性由下式得到：
[0054][0055]
电压互感器vt的相频特性由下式得到：
[0056][0057]
测量电路的核心是取电容电流作为锁相放大器的检测对象，锁相放大器的动态储备很高，锁相放大器可以具有高达120db的动态储备，这意味着它能在信噪比低至1ppm的情况下实现精准测量。锁相放大器的原理在于它是根据正弦函数的正交性原理工作的。具体来说，就是将锁相放大器输入端的混合信号与参考通道的信号相乘，然后对乘积进行积分，混合信号中仅有和参考端频率相同的分量能在积分后得以保留，任何与参考端频率不同的分量对应的积分结果都为零，这就实现了从输入端混合信号分离并测量与其参考端信号频率相同的信号分量。
[0058]
参照图4，高频谐波源的作用是产生高频，其拓扑结构由隔离变压器tn，整流桥，三极管vt1，稳压电容c5，线性稳压模块，h桥，滤波器，spwm调制器以及隔离驱动电路组成。滤波器为l-c-l滤波器，h桥由四个mos管组成，为了产生高频谐波，需要实现较高的开关频率，因此mos管选用碳化硅mosfet；
[0059]
隔离变压器tn与整流桥，稳压电容c5，线性稳压模块，h桥以及lcl滤波器级联。spwm调制器输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路与h桥连接。
[0060]
线性稳压模块包括基极电阻rb，隔离运算放大器d1，驱动电路，分压电阻r1、分压电阻r2和输出电容c6。分压电阻r1、分压电阻r2组成电阻分压器。基极电阻rb的第一端与三极管vt1的基极连接，第二端与驱动电路的输出端连接，三极管vt1的集电极与稳压电容c5的第一端连接，三极管vt1的发射极、驱动电路的地、分压电阻r1的第一端、输出电容c6的第一端连接在同一个节点，隔离运算放大器的输出端与驱动电路的输入端连接，隔离运算放大器的反向输入端与分压电阻r2的第一端以及分压电阻r1的第二端连接，分压电阻r2的第二端、稳压电容c5的第二端和输出电容c6的第二端均接地。
[0061]
参照图4，低频谐波源的作用是产生低频谐波，其拓扑结构与高频谐波源仅滤波器不同，低频谐波源采用l-c滤波器。
[0062]
因为电网谐波含量通常小于5％，这意味着需要施加在上tv的谐波电压相对于工频高压的比率小于5％，所以tv的谐波电压不大，需要施加给tv的谐波容量就不会大，功率自然也比较小；另一方面tv的有功损耗小，因此功率很小，所以整个谐波源在整个系统中产生的电流不是特别大，对它的功率要求不是很大，所以此谐波源采用了一个线性稳压模块来调节电压，通过调节三极管的管压降来调节输出电压，该模块的作用一是抵抗该线性稳压模块前面的整流桥产生的纹波，二是抵抗工频电流在该线性稳压模块输出电容c6上产生的电压脉动，使得加在h桥上的电压会是平稳的直流电压。隔离运算放大器d1的开环放大倍数高达1万以上，该模块的控制带宽可以非常高，从而有效抑制扰动，提高波形质量。需要说明的是，器件的最大耐压限制了单个谐波源的最大输出电压，如果需要输出很高的谐波电压，只需将几个相同的高频或低频谐波源串联起来。
[0063]
实施例2
[0064]
以电容式电压互感器cvt的传输特性测试为例说明本发明的具体工作过程：
[0065]
表1说明了此实例的具体工作条件与各设备实测参数值，表2说明了本实例中不同频率范围下所适用的提供谐波的谐波源与测量方式。
[0066]
表1
[0067][0068]
锁相放大器的最大动态储备高达130db，但为了保证测量具有足够的准确度，仅使用80db的动态储备，即在0.01％的信噪比的条件下采用锁相放大器测量。
[0069]
表2
[0070][0071]
当期望施加的谐波信号的频率小于4hz时，采用低频谐波源提供谐波电压，此时谐波源的输出电压与cvt一次侧的谐波电压的差异小于0.02％，因此采用直接测量的方法，也即直接使用标准电压表测量低频谐波源的输出电压，作为cvt一次侧电压；
[0072]
当期望施加的谐波信号的频率大于4hz小于468hz时，采用低频谐波源提供谐波电压，锁相放大器b输入通道的信噪比大于0.1％，工频噪声影响不大，因此通过锁相放大器b测量一次侧谐波电压，需要说明的是，采用低频源提供谐波电压时，电路在300hz附近会发生串联谐振，但是由于变压器二次侧存在25kω的铜损等效电阻，不会产生较大的电流。
[0073]
当期望施加的谐波信号的频率大于468hz，采用高频源提供谐波电压，通过锁相放大器b得到一次侧谐波电压。
[0074]
无论期望施加的谐波信号的频率是多少，均通过工频电压源被测电压传感器cvt提供工频测试高压电，通过锁相放大器a测量cvt二次侧电压。
[0075]
根据一次侧电压和二次侧电压的幅值和相位计算被测电压互感器谐波传输特性。对测量系统进行量值溯源时，由于高压标准电容的容值，标准分流电阻，dds标准信号源都是标准器具，因此只要对锁相放大器和前置放大器d的测量准确度进行检定，整个测量系统就能实现准确度的判定，进而实现量值溯源。
[0076]
本系统实现量值溯源的具体方法一共包含两步：
[0077]
一是在仅含有谐波电压的情况下对高压标准电容c2的容值进行检定；在同时含有谐波电压和工频电压的情况下对高压标准电容c2的容值进行校准。
[0078]
二是对锁相放大器a、锁相放大器b与前置放大器的测量准确度进行检定；
[0079]
同时含有谐波电压和工频电压的情况下，需要对标准器具高压标准电容c2的容值
进行校准的原因是：工频高压的幅值的变化可能影响高压标准电容c2的容值大小，导致其偏离标准值，因此需要得到高压标准电容c2在不同工频高压幅值下的电容容值大小，即对高压标准电容c2进行标定。
[0080]
(1)在低压条件下对高压标准电容c2的准确度进行检定
[0081]
在仅加低压谐波源的情况下，采用电桥法等方法对高压标准电容c2的容值进行准确度的检定，实现量值溯源。由于低压标准电容器具有较好的频响特性，因此可以用来对高压标准电容c2的容值进行检定并实现其在低压条件下的量值溯源。
[0082]
(2)锁相放大器的标定
[0083]
锁相放大器b和前置放大器的标定如图5所示，dds标准信号源，衰减器a和衰减器b都是标准器具。衰减器a的作用是衰减谐波信号从而降低谐波信号在工频信号中的占比，衰减器b的作用是衰减混合信号，以保证混合信号经过衰减器b与前置放大器d的作用后能够在锁相放大器输入通道的量程范围内。
[0084]
锁相放大器a的标定如图6所示，dds标准信号源，衰减器a和衰减器b都是标准器具。衰减器a的作用是衰减谐波信号从而降低谐波信号在工频信号中的占比，衰减器b的作用是衰减混合信号，以保证混合信号经过衰减器b与前置放大器d的作用后能够在锁相放大器输入通道的量程范围内。
[0085]
(3)在同时含有谐波和工频电压的情况下对高压标准电容c2进行校准：需要说明的是此时耦合电容c1需要选取与高压标准电容c2材质和制造工艺相同的高压电容，这是为了保证后续调节工频电压的变化对耦合电容c1与高压标准电容c2的影响规律是相同的，从而(c1+c2)/c1这一分压比保持不变，防止工频高压的变化影响加在高压标准电容上的谐波电压。
[0086]
如图7所示，先不施加工频高压，只施加低频电压，此时流过高压标准电容c2的电流i
c2
含有谐波电流分量，不含工频电流分量。通过锁相放大器得到流过高压标准电容c2的谐波电流i
ch2
，此时谐波电压u
ch2
、谐波电流i
ch2
以及未加工频高压时的高压标准电容c2的容值c2满足下式
[0087][0088]
然后改变工频电压并保持谐波电压源输出不变；此时由于未调节谐波电压源的输出，且工频电压对c1与c2的影响规律相同，即(c1+c2)/c1这一分压比在工频电压的调节过程中保持不变，所以工频高压的变化不会影响加在高压标准电容上的谐波电压，也就是说改变工频电压之后谐波电压u
ch2
相对于改变工频电压之前是没有变化的。但是工频电压的变化可能会影响高压标准电容c2与耦合电容c1的容值，从而导致流过高压标准电容c2上的谐波电流产生变化，准确测量改变工频电压之后的流过高压标准电容c2上的谐波电流i'
ch2
，此时谐波电压u
ch2
、谐波电流i'
ch2
以及施加工频高压后的高压标准电容c2的容值满足下式
[0089][0090]
根据式(1)与式(2)，有式(3)
[0091]
[0092]
根据此式就得到了施加工频高压后的高压标准电容的容值c'2，从而实现了在同时含有谐波和工频电压的情况下对高压标准电容c2进行标定。
[0093]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。