一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统及方法，在直流分压器的低压臂侧安装两个串联的精密采样电阻，并在两个电阻上分别并联两个开关，采用开关切换的方式实现对两个低压电阻臂的电压分时采集数据，通过建立方程来求得直流分压器高压臂的电阻值，以实现对直流分压器高压臂阻值的校准。而在实测时，直接测出采样电阻上的电压，并根据分压原理求直流母线电压，以减小了因为分压器元件受环境参数影响和放电等因素带来的变化对测量结果造成的影响，实现直流分压器的自校准，提高直流高电压检测的可靠性与准确度。

说明书

【技术领域】

本发明涉及电气工程、仪器科学与技术领域，涉及高电压技术方向，具体采用一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统及方法。

【背景技术】

直流高电压的测量方法主要分为三种。

第一种方法是通过观测直流电压直接作用的电学效果而产生的各种物理效应来实现对直流电压的测量。该测量方法包括：

静电电压表，当在两个相对的电极上施加电压时，由于两电极上分别充上相反极性的电荷，电极会受到静电力的作用，通过测量静电力的大小，或测量该静电力产生的某一极板的偏移量来计算施加的电压大小。但是该方法的测量准确度不高，在10KV电压等级下可以达到0.5％的准确度，100KV电压等级下可以达到1.0％的准确度，500KV电压等级下可以达到2.5％的准确度。

高压加速法，用直流高压加速电子束产生X射线，根据量子力学理论，电子从电场获得的能量与电子波的频率有关，通过光谱法测量电子波的频率就可以计算出施加在加速电极上的电压值。这种方法测量范围基本在40-120KV的直流电压，准确度可达到0.15％，如果改用超导谐振腔测量频率，其不确定可以达到1.2×10^-4。

球隙法，空气在一定场强下将发生碰撞游离，均匀场强下空气间隙放电电压与间隙距离具有一定的关系，因此可以利用间隙放电来测量电压。但是，由于气体放电具有统计性，数据分散性大，需要进行海拔和大气条件校正，测量准确度低，一般仅能到达1％以下的准确度水平。

第二种方法是采用光学电压传感器法，主要基于Pockels效应、Kerr效应和逆压电效应，是利用光纤完成信号传输，利用晶体的特定物理效应来感应电压。其中，Pockels效应是指某些晶体材料在外加电场作用下，其折射率的变化与所加电场强度的一次方成正比，通过检测双折射两光束的相位差就可以计算出施加外电压的大小。Kerr效应是指介质在外电场作用下其折射率与所加电场强度的二次方成正比，介质折射率的变化将引起通过介质的光波偏振态的变化，通过检测光波偏振态就可获知被测电压值。逆压电效应是指压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现象以外，同时形状产生了微小变化，即产生应变。将该逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检测光信号，就可以实现电压的光学传感。但是此种方法存在电荷飘移问题、传感器的温度及振动稳定性问题、长期运行稳定性和可靠性问题，而且此种方法能够测量的电压等级也相对有限。

第三种方法就是采用直流分压器变换电压，其结构示意图及其简图如附图1所示，然后用直流电压表测量低压臂的电压，最后根据分压比计算出待测高电压。考虑到分压器的准确度可以做到很高，该方法可以实现很高的准确度，目前100KV/10V电压比的不确定度可以到达1×10^-5，300KV/30V电压比的不确定度可以到达3×10^-5。

直流电阻分压器是一种应用比较广泛的直流电压变换器，其主要由高、低压电阻臂串联而成，一次电压范围可以从1kV-MV，二次电压通常选择在1V-100V。但是该方法由于受到电阻元器件的电压分散性和老化趋势不一致的影响，高压下情况下，高压臂电晕放电造成的影响，分压器绝缘泄露形成的影响，也容易受到外界环境因素的影响，包括环境温度，直流分压器表面污秽，直流分压器附近的物体等情况，使得直流分压器准确度受到影响，经常需要进行校准。

综上论述，上述直流高压测量方法虽然在电气工程领域、仪器科学与技术方向都已经得到了比较广泛的应用，但是鉴于其中的测量准确度有的在技术方面很难有所提高，或者提高测量准确度所产生的性价比不高。为此，本发明给出了一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量方法，旨在能够提出一种能够在工程中实施的、能进行自动校准的、准确度高的和稳定性好的直流高电压测量方法。

【发明内容】

本发明旨在，提供一种能够实现自动校准的准确度高、可靠性高和稳定性好的基于直流分压器分时采样的直流高电压测量方法。

为了实现上述发明的目的，本发明提供了如下技术解决方案：

一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统，包括直流分压器、信号调理电路，以及微处理器，所述直流分压器的低压臂串联有精密电阻R_N-1和精密电阻R_N，该精密电阻R_N-1和精密电阻R_N分别并联有开关K_N-1和开关K_N；所述直流分压器的高压臂串联有电阻R₀；采用开关K_N-1和开关K_N切换方式分别对两个低压电阻臂电压进行采集，所述信号调理电路用于将低压臂的输出电压转化为微处理器可以识别的信号，微处理器根据低压臂输出电压实现对直流母线电压的校正。

所述开关K_N-1和开关K_N是电子开关或继电器或其他起到开关作用的器件。

所述精密电阻R_N-1和精密电阻R_N的阻值由直流分压器的等级决定，保证精密电阻的电流为毫安级，输出电压为1-100V。

当微处理器内部没有数据采集系统时，在微处理器和信号调理电路之间进一步设置有数据采集系统，微处理器内部的数据采集系统或者微处理器和信号调理电路之间的数据采集系统的分辨率不低于12位。

所述直流分压器的高压臂电阻R₀是由多个电阻串接而成，或者由多个电阻并联的阻容结构串联而成，如果是前者，R₀串联R_N-1和R_N，R_N接地，如果是后者，低压臂电阻R_N-1和R_N也各自并联一个电容。低压臂及其开关放置在屏蔽罩中，且屏蔽罩接地。

一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统方法，当监测到直流分压器高压臂的电压连续时间段内发生变化时，微处理器通过控制开关K_N-1和K_N对高压臂电阻进行校正，实现输出稳定、准确和可靠的直流母线电压；当监测到直流分压器高压臂的电压连续时间段内没有发生变化时，不对高压臂进行校正，直接根据高压臂和低压臂的分压比计算母线电压。

所述校正的方法为：连续监测到的高压电阻臂电压的标准差的两倍均在允许误差范围内，则分别根据公式(9)和公式(10)计算高压电阻臂的校准值R₀及校准值R₀的均值R₀₁和R₀₂，若2|R₀₁-R₀₂|/R₀₁和2|R₀₁-R₀₂|/R₀₂均小于直流分压器的准确度等级，则以R₀₁或R₀₂替代高压电阻臂的阻值，若2|R₀₁-R₀₂|/R₀₁和2|R₀₁-R₀₂|/R₀₂中有一个大于直流分压器的准确度等级，则说明低压臂的精密电阻发生变化，提醒用户标定：

$R_0=\frac{V_{N-1}-V_N^{\prime }}{V_N^{\prime }-V_N}{R}_N---\left(9\right)$

$R_0=\frac{(V_{N-1}-V_{N-1}^{\prime })(R_{N-1}+R_N)R_{N-1}}{V_{N-1}^{\prime }(R_{N-1}+R_N)-R_{N-1}{V}_{N-1}}---\left(10\right)$

上式中，V_N-1为精密电阻R_N-1的电压值，V_N为精密电阻R_N的电压值，V′_N为断开开关K_N闭合开关K_N-1时的低压臂精密电阻电压值，V′_N-1为断开开关K_N-1闭合开关K_N时的低压臂精密电阻电压值。

连续时间段内，直流分压器高压臂的电压没有发生变化的判断标准为：连续求取的高压电阻臂的电压V_H的值，与实测时得到的高压电阻臂的电压V_H值，均与其均值的偏差，或者标准差小于允许偏差，则认为直流分压器没有发生变化，无需校准。

所述电阻R₀通过以下方法而得：

(1)断开开关K_N-1和开关K_N，由电阻分压原理得到：

$V_{N-1}=\frac{R_{N-1}+R_N}{R_0+R_{N-1}+R_N}{V}_H---\left(1\right)$

$V_N=\frac{R_N}{R_0+R_{N-1}+R_N}{V}_H---\left(2\right)$

其中，V_H为高压臂电压；

(2)闭合开关K_N-1，断开开关K_N，同理得到：

$V_N^{\prime }=\frac{R_N}{R_0+R_N}{V}_H---\left(3\right)$

(3)断开开关K_N-1，闭合开关K_N，同理得到：

$V_{N-1}^{\prime }=\frac{R_{N-1}}{R_0+R_{N-1}}{V}_H---\left(4\right)$

(4)由公式(1)和公式(2)，得出：

$\frac{R_{N-1}}{R_N}+1=\frac{V_{N-1}}{V_N}---\left(5\right)$

由公式(3)，得出：

$\frac{R_0}{R_N}=\frac{V_H}{V_N^{\prime }}-1---\left(6\right)$

将公式(1)右边分子分母同时除以R_N，得出：

$V_{N-1}=\frac{R_{N-1}/R_N+1}{R_0/R_N+R_{N-1}/R_N+1}{V}_H---\left(7\right)$

将公式(5)和公式(6)代入到公式(7)中，得出：

$V_H=\frac{V_{N-1}-V_N}{V_N^{\prime }-V_N}{V}_N^{\prime }---\left(8\right)$

将公式(8)代入到公式(6)中，得出：

$R_0=\frac{V_{N-1}-V_N^{\prime }}{V_N^{\prime }-V_N}{R}_N---\left(9\right)$

由公式(1)和公式(4)直接可求得：

$R_0=\frac{(V_{N-1}-V_{N-1}^{\prime })(R_{N-1}+R_N)R_{N-1}}{V_{N-1}^{\prime }(R_{N-1}+R_N)-R_{N-1}{V}_{N-1}}---\left(10\right).$

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在直流分压器的低压臂安装两个串联的精密电阻，采用开关切换方式分别对两个低压电阻臂电压进行采集，从而实现对直流母线电压的测量及校正，减小了因分压电阻、绝缘材料等的参数变化以及因为外界环境因素对测量结果造成的影响。

【附图说明】

图1(a)分压器结构示意图；

图1(b)分压器结构简化图；

图2基于分时采样的直流分压器的直流高电压测量方法示意图；

图3基于分时采样的直流分压器的直流高电压测量系统结构图；

图4校准电压流程图。

【具体实施方式】

本发明将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明和论述。

本发明是一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统及方法。通过采集低压电阻臂的电压值和分压比来测量直流母线电压值，经信号调理电路并通过微处理器计算和输出电压，并实时监测和记录电压值。一般由于高电压对高压臂的强烈作用可能会引起高压电阻臂阻值的变化，此外由于外界因素的影响也可能引起电阻值的变化。当监测到连续时间段的电压发生变化，此时通过微处理器输出指令，控制开关管的开合，实现对高压电阻臂的校准，实现输出稳定、准确和可靠的待测直流母线电压。当采集的电压没有发生变化，就不对高压臂进行校准，直接根据分压比来计算母线电压。

将直接测量电压的低压臂分成两个串联的等值的精密电阻臂，通过分时采样开关实现两个电阻臂的切换，这样，两个电阻臂的工作条件近乎相似，统计误差较小。对于实际运行时没有满足要求的电阻臂，可以通过串并联电阻器以实现设计的需要。

本发明测量和校正系统的结构示意图如图3所示。该系统包括开关K_N-1和K_N，高压臂电阻R₀，低压臂精密电阻R_N-1和R_N，信号调理电路和微处理器，若微处理器中没有满足要求的数据采集系统，则在信号调理电路与微处理器之间还有数据采集卡。开关K_N-1和K_N可以是电子开关，也可以是继电器，精密电阻R_N-1和R_N阻值由分压器等级决定，只要使得电阻上的电流为毫安级，输出电压为1-100V即可。高压臂电阻R₀是由多个电阻串接而成的，或者是多个由一个电阻并联一个电容的阻容结构串联而成的，如果是后者，R_N-1和R_N也要各自并联一个电容。

微处理器可以是单片机、DSP系统，也可以是嵌入式系统，还可以是普通工控机。数据采集系统要求分辨率不低于12位，可以是14位、16位、18位、20位、24位。信号调理电路内含可编程控制器，用于将直流分压器低压臂上的输出电压，即R_N-1和R_N的输出电压转换为数据采集系统的容许输入电压，它受微处理器控制，其输出电压的上限为数据采集卡容许输入电压的上限。

实施例：

本实施例结合图3的测量系统的结构示意图简要说明实施过程。假设被测直流电压为100kV，系统采用MOSFET管作为开关，栅极高电压时导通，C51单片机作为微处理器，单片机的准双向口用来控制MOSFET管，高压臂采用100个电阻串联而成，每个电阻的电阻值为1MΩ，额定功率2W，精密电阻的阻值均为50kΩ，直流分压器准确度等级要求：0.5级。于是，额定电压情况下，R_N的电压V_N约为50V，R_N-1的电压V_N-1约为100V，采集卡分辨率为16位，电压输入范围为0～5V，调理电路分别将V_N和V_N-1调理成0～5V。分压器的测量过程，安装分压比实现，关键在于如何校准。本实施例的校准过程如下，其步骤流程图如图4所示。

1)断开开关K_N-1和开关K_N，即C51单片机准双向口控制电压均为低平电压，由电阻分压原理得到：

$V_{N-1}=\frac{R_{N-1}+R_N}{R_0+R_{N-1}+R_N}{V}_H---\left(1\right)$

$V_N=\frac{R_N}{R_0+R_{N-1}+R_N}{V}_H---\left(2\right)$

其中，V_H为高压臂电压。

2)闭合开关K_N-1，但开关K_N断开，同理得到：

$V_N^{\prime }=\frac{R_N}{R_0+R_N}{V}_H---\left(3\right)$

3)断开开关K_N-1，但开关K_N闭合，同理得到：

$V_{N-1}^{\prime }=\frac{R_{N-1}}{R_0+R_{N-1}}{V}_H---\left(4\right)$

于是，由(1)/(2)，得出：

$\frac{R_{N-1}}{R_N}+1=\frac{V_{N-1}}{V_N}---\left(5\right)$

由式(3)，得出：

$\frac{R_0}{R_N}=\frac{V_H}{V_N^{\prime }}-1---\left(6\right)$

将式(1)右边分子分母同时除以R_N，得出：

$V_{N-1}=\frac{R_{N-1}/R_N+1}{R_0/R_N+R_{N-1}/R_N+1}{V}_H---\left(7\right)$

将式(5)和式(6)代入到式(7)中，得出：

$V_H=\frac{V_{N-1}-V_N}{V_N^{\prime }-V_N}{V}_N^{\prime }---\left(8\right)$

将式(8)代入到式(6)中，得出：

$R_0=\frac{V_{N-1}-V_N^{\prime }}{V_N^{\prime }-V_N}{R}_N---\left(9\right)$

由式(1)和(4)直接可求得：

$R_0=\frac{(V_{N-1}-V_{N-1}^{\prime })(R_{N-1}+R_N)R_{N-1}}{V_{N-1}^{\prime }(R_{N-1}+R_N)-R_{N-1}{V}_{N-1}}---\left(10\right)$

由于选定的R_N-1＝R_N＝50kΩ，因此由式(10)求得的R₀为：

$R_0=\frac{2(V_{N-1}-V_{N-1}^{\prime })R_N}{2V_{N-1}^{\prime }-V_{N-1}}---\left(11\right)$

考虑到16位采集卡，输入为0～5V，其分辨率误差为3.8×10^-5V，折合到100V时，分辨率误差为7.6×10^-4V，若无其它异常，且不考虑其他噪声，则应有：

$V_{N-1}=\frac{100kV}{100.1M\Omega }\times 0.1M\Omega =99.900V,V_{N-1}^{\prime }=\frac{100kV}{100.05M\Omega }\times 0.05M\Omega =49.975V$

根据式(10)可求得R₀＝99.85MΩ。因R₀＝100MΩ，2×(100-99.85)/100＝0.003，分辨率选用合适情况下，其它噪声水平与此相当，故系统偏差约为0.003×1.414＝0.004242＜0.5，满足0.5级准确度要求。

当断开开关K_N-1和开关K_N时，通过连续15次采集低压臂电压值，通过计算监测结果的标准差的2倍是否小于允许偏差来判断是否进行高压电阻臂的校准，即:

$2\sqrt{\frac{\underset{k=1}{\overset{15}{\Sigma }}(V_{N\left(k\right)}-\overline{V_{N\left(k\right)}})}{15-1}}\le Err---\left(12\right)$

式中，Err为容许偏差，V_N(k)为第k次测得的V_N的值，为V_N(k)的均值。当满足式(12)条件时，就对高压臂电阻值R₀进行如下校准。此时，通过微处理器输出指令，调节并联在两个低压臂的开关的K_N-1和K_N的通断，根据采集的不同低压臂的电压值进行如下的计算，以实现对高压臂的校准。

首先，通过根据式(8)连续求解V_H的值，并计算相邻三次采样结果的其标准差，若标准差的2倍在允许误差范围内，则再根据表达式(9)和式(10)计算高压臂的校准值R₀，如果不满足误差要求，说明被测电压不够稳定，则需要进行下一次的校准。

分别求根据式(9)和式(10)求R₀的值的均值R₀₁和R₀₂，若2|R₀₁-R₀₂|/R₀₁和2|R₀₁-R₀₂|/R₀₂均小于直流分压器的准确度等级，即2|R₀₁-R₀₂|/R₀₁<0.005，且2|R₀₁-R₀₂|/R₀₂<0.005，则取得的R₀₁或者R₀₂作为校准后的R₀，若其中有一个大于准确度等级，则说明精密低压臂也已发生变化，需要提醒用户标定。

当校准完毕后，再根据式(2)就可以计算出直流高压母线的电压值。

本发明提供了一种基于直流分压器分时采样的直流高电压测量和校正系统及方法，在直流分压器的低压臂安装两个串联的采样电阻，采用开关切换方式分别对两个低压电阻臂电压进行采集，如图2所示，通过建立被测电压、分压电阻和输出电压之间的方程，并通过求解方程以获得被测电压值和高压臂的电阻值，从而实现对直流母线电压的测量及校正，减小了因为分压电阻、绝缘材料等的参数变化以及因为外界环境因素对测量结果造成的影响。因此，只需要设计满足一定功率要求的高低压电阻臂、开关以及简单的控制器，就能实现对基于直流分压器的直流高电压检测装置的校正与准确测量。

由于高压电阻臂可能会受到高电压的放电以及外界环境的影响，因此高压电阻臂可能会发生变化，致使检测电压值出现波动。本发明通过记录并存储采集的电压值，监测电压值的变化情况来给出校正策略，并通过调节电子开关的切换，经过分压计算以实现对高压电阻臂的电阻值自动校准，根据采集的低压电阻臂的电压值和分压比就可以计算出直流高压母线电压值，从而实现输出稳定的、准确的电压。

当开关切换前后测得的电压值几乎不发生变化时，就不需要对高压电阻臂的电阻值进行校正，因为此时高压臂电阻值未改变，只需要根据低压电阻臂采集的电压和分压比，就可以通过微处理器的计算，就能实现对直流高压的测量。

显然，经上述实施例的说明，本发明专利采用分时采样电压的方法，可以达到稳定输出准确度比较高的、可靠性好的和能够自动校准的待测电压值的效果，对常规直流电阻分压器受电阻值的变化、高压电晕的干扰和分压器绝缘泄露的影响所引起分压器准确度的变化有了很大的改进。

以上内容是结合具体的实施方案对本发明专利的进一步详细说明，需要说明的是，本发明专利的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为属于本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。