本發(fā)明涉及高電壓測試技術(shù)領域，并且更具體地，涉及一種高準確度寬頻高壓信號調(diào)理系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

一直以來，在高電壓測試中，作為標準器使用的設備主要是電壓互感器和分壓器。電壓互感器基于電磁耦合原理，其準確度高，穩(wěn)定性好，是目前國內(nèi)進行電壓互感器量值溯源及傳遞的主要設備；而分壓器的主要原理分為電容式、電阻式和阻容式三種，將一定數(shù)量的阻抗元件進行串聯(lián)，分壓，獲得低壓信號。與電磁式互感器相比，分壓器具備更高的電壓等級，廣泛應用于特高壓領域。不過若使用過多的分立器件，在進行交流信號測量時，其分布參數(shù)，寄生參數(shù)的直接影響了其分壓準確度，同時由于阻容元件的溫度特性、電壓系數(shù)，其測量準確度具有較大的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，從而影響整體分壓比。所以若將分壓器作為標準器使用，目前常用的方式是使用兩臺具有較低電壓系數(shù)和溫度系數(shù)的壓縮氣體電容進行串聯(lián)，并配合電子單元，構(gòu)成一臺有源電子式標準分壓器。

已知的德國ptb使用的電子分壓器進行量值傳遞時，其工頻測試不確定度優(yōu)于6×10-6，該類電容式分壓器的最大優(yōu)點是：只需在低壓下使用感應分壓器或者低壓標準互感器對其進行溯源，即可在更高的電壓下進行量值傳遞，因為其具有較低的電壓系數(shù)。與同電壓等級的電磁式標準器相比，電子式標準分壓器在造價上具有較大的優(yōu)勢，約為其的1/4-1/3，在量值溯源完成后，電子式標準分壓器在短時間內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性，因此較為適合在實驗室內(nèi)進行使用。瑞士哈弗萊是高電壓測試技術(shù)領域極具影響力的企業(yè)，其生產(chǎn)的高壓標準電容器、分壓器以及互感器校驗設備具有極高的穩(wěn)定性和技術(shù)指標，而其生產(chǎn)的電子式標準分壓器4860由電容式分壓器本體和電子單元構(gòu)成，其標稱測量準確度可達20ppm，電子單元可實現(xiàn)1010v電壓的直接輸入，原理未對外公開。然而該套設備也價格不菲，整套設備的售價在150萬元左右，主要價格集中在電子單元。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種高準確度寬頻高壓信號調(diào)理方法及系統(tǒng)，以解決分壓器的整體分壓比不準確的問題。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種高準確度寬頻高壓信號調(diào)理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：分壓器、第一電壓跟隨單元和變比調(diào)節(jié)單元，

所述分壓器，輸出端與所述第一電壓跟隨單元的輸入端相連接，用于對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，并將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元的輸入端；

所述第一電壓跟隨單元，分別與所述分壓器的輸出端和所述變比調(diào)節(jié)單元的輸入端相連接，用于提高輸入阻抗，并將所述初始的分壓高壓信號u1轉(zhuǎn)化為跟隨后的分壓電壓信號u2，并將所述跟隨后的分壓電壓信號u2傳輸至變比調(diào)節(jié)單元，其中所述u1和u2等電位；

所述變比調(diào)節(jié)單元，輸入端與所述第一電壓跟隨單元的輸出端相連接，用于對所述跟隨后的分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩沖電路和跟隨電路，所述緩沖電路的輸入端與所述分壓器的輸出端相連接，所述緩沖電路的輸出端和跟隨電路的輸入端相連接，所述跟隨電路的輸出端還連接所述緩沖電路的低壓運放的供電電源的地上，實現(xiàn)了“自舉跟隨”。

優(yōu)選地，其中在所述緩沖電路單元中電容c2和電阻r2串聯(lián)后和運算放大器a1并聯(lián)，用于對電路中的相位進行補償。

優(yōu)選地，其中所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優(yōu)選地，其中所述系統(tǒng)還包括：

第二電壓電壓跟隨單元，與所述變比單元相連接，用于提高系統(tǒng)的帶負載能力。

優(yōu)選地，其中所述變比調(diào)節(jié)單元采用多盤感應分壓器調(diào)節(jié)變比。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種高準確度寬頻高壓信號調(diào)理方法，所述方法包括：

通過分壓器對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，并將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元；

利用第一電壓跟隨電路將所述初始的分壓高壓信號u1轉(zhuǎn)化分壓高壓信號u2，其中所述u1和u2等電位；

利用變比調(diào)節(jié)單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩沖電路和跟隨電路，在所述緩沖電路單元中電容c2和電阻r2串聯(lián)后和運算放大器a1并聯(lián)，用于對電路中的相位進行補償，所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優(yōu)選地，其中所述利用變比調(diào)節(jié)單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)，包括：

利用多盤感應分壓器對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明的技術(shù)方案將電壓跟隨電路進行改進，將低壓運算放大器運用于高壓電路環(huán)境，提高輸入阻抗，并與分壓器本體充分隔離，減小了對分壓器本體的分壓比的影響，設計簡單并能降低電路成本及運行功耗。

2.本發(fā)明的高壓信號調(diào)理系統(tǒng)具備寬頻特性，工頻下滿足0.01級，1khz以下滿足0.1級。

3.基于多盤感應分壓器原理對電壓進行高精度調(diào)節(jié)，從而間接提高了分壓器本體的分壓比的分壓準確度。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方式的高壓信號調(diào)理系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方式的自舉跟隨電路的示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方式的測量輸入阻抗的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施方式的多盤感應分壓器的示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明實施方式的測量不同頻率滿足的等級的原理圖。以及

圖6為根據(jù)本發(fā)明實施方式的高壓信號調(diào)理方法600的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的示例性實施方式，然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發(fā)明，并且向所屬技術(shù)領域的技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術(shù)語并不是對本發(fā)明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術(shù)語(包括科技術(shù)語)對所屬技術(shù)領域的技術(shù)人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術(shù)語，應當被理解為與其相關(guān)領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方式的高壓信號調(diào)理系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，所述高壓信號調(diào)理系統(tǒng)100用于對分壓器本體的分壓比進行調(diào)節(jié)，提高分壓器本體的分壓精確度。如圖1所示，所述高壓信號調(diào)理系統(tǒng)100包括：分壓器101、第一電壓跟隨單元102和變比調(diào)節(jié)單元103。優(yōu)選地，其中所述系統(tǒng)還包括：第二電壓電壓跟隨單元104，與所述變比調(diào)節(jié)單元103相連接，用于提高系統(tǒng)的帶負載能力。

優(yōu)選地，所述分壓器101的輸出端與所述第一電壓跟隨單元102的輸入端相連接，用于對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，并將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元102的輸入端。其中所述分壓器產(chǎn)生的分壓信號由分壓器產(chǎn)生。

例如，ui＝110/√3kv，若分壓器的分壓比為：則輸出的分壓高壓信號：

優(yōu)選地，所述第一電壓跟隨單元102分別與所述分壓器101的輸出端和所述變比調(diào)節(jié)單元103的輸入端相連接，用于提高輸入阻抗，并將所述初始的分壓高壓信號u1轉(zhuǎn)化為跟隨后的分壓電壓信號u2，并將所述跟隨后的分壓電壓信號u2傳輸至變比調(diào)節(jié)單元，其中所述u1和u2等電位。優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩沖電路和跟隨電路，所述緩沖電路的輸入端與所述分壓器的輸出端相連接，所述緩沖電路的輸出端和跟隨電路的輸入端相連接，所述跟隨電路的輸出端還連接所述緩沖電路的低壓運放的供電電源的地上。優(yōu)選地，其中在所述緩沖電路單元中電容c2和電阻r2串聯(lián)后和運算放大器a1并聯(lián)，用于對電路中的相位進行補償。優(yōu)選地，其中所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運放a1的增益帶寬積。

優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。

第一電壓跟隨單元為一個自舉跟隨電路。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方式的自舉跟隨電路的示意圖。如圖2所示，所述自舉跟隨電路中，up通過r1、c1與輸出相連，既有正反饋又包含負反饋，運放a1的輸入輸出均處于相同電位，即up＝un＝uo，此電路穩(wěn)定且低壓部分功耗基本為零。為了該電路能適應高壓條件，在前級跟隨器的后端使用一只高壓功率運放a2，其輸出連接至前級運放的供電電源的地上。a1為低壓運放，工作電壓不能超過正負20v，而u1在工作時約200v，為了使低壓運放a1適應于200v電路，將u2反饋給a1的供電端，這樣u1雖然相對“地”是200v，但相對于供電端不超過20v，實現(xiàn)了“自舉跟隨”。低壓運放a1相對于高壓運放a2，很大程度節(jié)約成本的同時，還能大大降低功耗。一般實際使用的運算放大器對一定頻率的信號都會產(chǎn)生一定的相移，這樣的信號不僅使輸入輸出間存在相位差，而且反饋到輸入端將使放大電路工作不穩(wěn)定甚至發(fā)生振蕩，為此圖2中r2、c2在整個電路中起一定的相位補償作用。

在電阻r1兩端的壓降為u1，則：u1＝uo-up＝up-un，所以輸入阻抗為：

由于電路中引入了深度負反饋，因此up和un是相等的，那么ri就會趨于極大值了，理論上輸入電阻為無窮大。

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方式的測量輸入阻抗的示意圖。如圖3所示，將一高精度電阻與跟隨電路串聯(lián)，借助微弱信號專用測量儀器鎖相放大器sr860測電阻兩端電壓，然后計算輸入阻抗的值，計算公式為：

測得該高壓跟隨電路在實驗室輸入電阻實測值約為20gω。

在本發(fā)明的實施方式中，運放a1選擇opa2140，耐壓能力±20v，增益帶寬積11mhz，則

取r2＝1kω，c2＝140pf，可使電壓調(diào)理器在寬頻調(diào)頻條件下消除角差且保證工作穩(wěn)定，不會產(chǎn)生自激振蕩。高壓功率運放a2選擇pa15或者pa88，需要±225v直流電源供電。

優(yōu)選地，所述變比調(diào)節(jié)單元103的輸入端與所述第一電壓跟隨單元102的輸出端相連接，用于對所述跟隨后的分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，其中所述變比調(diào)節(jié)單元采用多盤感應分壓器調(diào)節(jié)變比。圖4為根據(jù)本發(fā)明實施方式的多盤感應分壓器的示意圖。如圖4所示，由于分壓器本體的分壓比存在一定誤差，將誤差控制在較小范圍比較困難。本專利基于多盤感應分壓器原理在高壓跟隨器中加入電壓調(diào)節(jié)功能，就可以調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的變比，大大減少分壓比誤差。感應分壓器的基本結(jié)構(gòu)是自耦式電壓互感器，繞組由匝數(shù)相等且均勻繞制的幾段繞組構(gòu)成。多盤感應分壓器由多個單盤感應分壓器組成，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、準確度高、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低、結(jié)構(gòu)簡單等特點。在本發(fā)明的實施方式中，在本發(fā)明的實施方式中，使用六盤感應分壓器，即有6個完全一樣的電磁繞組：n1、n2...n6，每個繞組有11個抽頭：0～10，圖中將抽頭5和6引出接至下一級，根據(jù)互感器原理，u2＇＝0.1·u2，以此類推，u3＝10-6·u2。通過改變抽頭引出位置，可以任意調(diào)節(jié)u3的值。調(diào)整范圍0.000001·u2≤u3≤0.999999·u2，理論上感應分壓器本身的誤差為零，電壓調(diào)節(jié)精度可達多盤感應分壓器輸入端電壓的10^-6。

本發(fā)明的系統(tǒng)具有高輸入阻抗(gω級)，并具有變比可調(diào)功能，實驗驗證其準確度等級工頻下滿足0.01級，1khz以下滿足0.1級。圖5為根據(jù)本發(fā)明實施方式的測量不同頻率滿足的等級的原理圖。如圖5所示，tx為被測裝置，即本發(fā)明實施方式的整個電子分壓器，ts為標準裝置，其準確度等級為0.002級，是目前國內(nèi)最高標準。tx與ts一次相連，二次側(cè)取差壓，在不同頻率下測得電子分壓器工頻下滿足0.01級，1kh以下0.1級，而傳統(tǒng)分壓器只適用于工頻(50hz)條件下。本發(fā)明的技術(shù)方案能實現(xiàn)最高160v(rms)輸出，可與分壓器本體一起組成電子式分壓器，有利于提高分壓器技術(shù)研究水平，進一步提升關(guān)于諧波電壓計量測試能力。

圖6為根據(jù)本發(fā)明實施方式的高壓信號調(diào)理方法600的流程圖。如圖5所示，所述高壓信號調(diào)理方法600用于對分壓器的高壓信號進行高精度調(diào)節(jié)，使得分壓器的分壓比可以靈活調(diào)節(jié)，以減小分壓器本體的分壓比誤差。所述高壓信號調(diào)理方法600從步驟601處開始，在步驟601通過分壓器對電壓源ui進行分壓，獲取初始的分壓高壓信號u1，并將所述初始的分壓高壓信號u1傳輸至第一電壓跟隨單元。

優(yōu)選地，在步驟602利用第一電壓跟隨電路將所述初始的分壓高壓信號u1轉(zhuǎn)化分壓高壓信號u2，其中所述u1和u2等電位。優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元的最大輸入阻抗為:20gω。優(yōu)選地，其中所述第一電壓跟隨單元包括：緩沖電路和跟隨電路，在所述緩沖電路單元中電容c2和電阻r2串聯(lián)后和運算放大器a1并聯(lián)，用于對電路中的相位進行補償，所述電容c2和電阻r2取值的計算公式為：

其中，bw為運算放大器a1的增益帶寬積。

優(yōu)選地，在步驟603利用變比調(diào)節(jié)單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，其中所述利用變比調(diào)節(jié)單元對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)，包括：利用多盤感應分壓器對所述分壓高壓信號u2進行高精度調(diào)節(jié)。

已經(jīng)通過參考少量實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領域技術(shù)人員所公知的，正如附帶的專利權(quán)利要求所限定的，除了本發(fā)明以上公開的其他的實施例等同地落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

通常地，在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語都根據(jù)他們在技術(shù)領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[系統(tǒng)、組件等]”都被開放地解釋為所述系統(tǒng)、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。