基于電阻分壓與電子開關的中壓直流自校準電壓傳感器

潘 攀，曹芷馨，史嘉昭，賈海恩，吳宇凡

(西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

第二代新型艦載直流電力系統采用電力電子技術,相比于第一代交流電力系統,具有續航強、噪聲低、隱身性好的優勢,為高能武器發射提供了穩定的能源供應,并允許高頻次大功耗彈箭發射行為,增強了艦船戰斗力[1-5]。因此多國艦船也在推廣應用第二代新型艦載直流電力系統。同時,為了確保系統安全、高效運行,針對kV級別中壓直流電力系統的特性,對電壓進行監測是十分必要的。

目前常用的直流電壓測量方法按照原理可分為霍爾效應法[6-9]、磁通門法[6,10]、光學法[6,11-15]和分壓法等[6,16-18]。Lee等[11]設計了一款基于霍爾效應的傳感器,其精度可達到0.5級;Chen[13]設計并測試了一種光纖電壓傳感器,其響應姿態與測量電壓近似線性,傳感器輸出與傳統電壓互感器輸出之間的相對誤差為0.8%?，F階段基于分壓法的電子式電壓傳感器因成本低廉與技術成熟度高而被廣泛應用于直流電壓監測。但是分壓器承壓器件在長時間強電場及艦船復雜電磁環境作用下容易老化,導致分壓器分壓比漂移,需要定期人工校準,增加了使用成本。同時,基于電阻分壓法的電子式電壓傳感器存在難以同時兼顧測量范圍與測量準確度等級的缺陷。因此文中提出一種適用于艦載電力系統的自校準中壓直流電壓傳感器方案,并開發出配套的直流電壓傳感器樣機。

1 自校準電壓傳感器方案設計

自校準電壓傳感器采用電阻分壓法實現電壓測量,在傳統直流電阻分壓器的基礎上進行針對性改進,整體結構框圖如圖1所示。

圖1 中壓電壓傳感器結構框圖Fig.1 The structure diagram of medium-voltage voltage sensor

自校準電壓傳感器主要由電阻分壓器、保護電路、低壓測量電路以及通信電路等部分組成。自校準電阻分壓器由3個等效電阻RH,RC和RN串聯組成。其中RH與一次側高電壓相連接,RN與地線相連,RC串聯在RH和RN之間。相比于傳統電阻分壓器,自校準電阻傳感器增加了一個電子開關K,電子開關K與電阻RC并聯,電子開關受微處理器控制。

在正常測量情況下,一次側高電壓VH經直流電阻分壓器得到二次側低電壓VN,二次側電壓經過保護電路、信號調理電路輸入至 ADC,轉換為數字信號后傳輸至微處理器,數字信號在微處理器內部按照分壓公式即式(1)進行計算即可得到被測高電壓數值,通信電路將計算結果通過通訊接口進行傳輸,即完成對一次側高電壓的測量過程。

(1)

式中:VH為分壓器一次側所接被測高電壓;RH為分壓器高壓側電阻;RC為分壓器中間電阻;RN為分壓器接地側電阻;VN為分壓器二次側輸出低電壓。

在分壓器長時間工作后,其高壓側電阻分壓元器件由于強電場、磁場,甚至電暈放電及環境參數等原因導致其老化,電阻分壓器的分壓比隨之變化,以標稱分壓比進行測量時會出現測量誤差。此時,傳感器的工作模式轉換為自校準模式,微處理器會識別一次側電壓是否穩定并且是否處于額定狀態。如滿足條件,即量化為一次側電壓波動σ小于給定的值, 電子開關K則會在微處理器的控制下閉合與斷開,當電子開關K斷開時,電壓計算滿足式(1);當電子開關K閉合,電壓計算滿足式(2)。

(2)

聯立式(1)與式(2),在自校準操作時嚴格控制一次側電壓穩定,因此可以消去式(1)與式(2)中VH,可得到式(3)。由式(3)計算可得分壓器高壓臂電阻校準值,根據校準值即可更新微處理器內分壓器分壓比,從而完成電壓傳感器的自校準工作。

(3)

式中:RHJ為分壓器高壓臂電阻校準值;VN為電子開關K斷開時二次側低壓輸出值;V′N為電子開關K閉合時二次側低壓輸出值;RN為低壓二次側接地電阻阻值;RC為低壓二次側中間電阻阻值。

2 自校準電壓傳感器樣機制造

依據中壓直流電壓系統工況,設計額定測量電壓為10 kV,測量范圍滿足0～20 kV的自校準中壓直流電壓傳感器樣機。

2.1 硬件設計

直流電壓傳感器樣機結構方案如圖2所示,傳感器結構上分為高壓均壓環、絕緣臂和底座。高壓均壓環和絕緣臂是常見的分壓器外部結構。高壓電阻RH置于高壓絕緣套管內,采用絕緣油進行封閉,避免外界濕度對儀器本身產生影響,同時可以對高壓電阻RH進行冷卻,提高測量準確度。低壓臂電阻RC,RN與電子開關置于分壓器底座內,通過環氧樹脂材料進行灌封,降低溫濕度對電阻的影響。保護電路、信號采集電路等集成于電路板上,內部通過頂板開孔和分壓器底部進行電氣相連,同時在分壓器底部側面設置光纖端子進行信號輸出。

直流電阻分壓器需要合理確定分壓電阻阻值。一方面,當電壓恒定時分壓器電阻阻值過小會增加電阻本身的熱損耗,導致分壓電阻阻值不穩,影響分壓比,增加測量誤差;另一方面,電阻阻值過大時,由于電流過小而使可能產生電暈放電和絕緣支架漏電的影響增強,從而導致測量誤差。綜合考慮后,最后選定的分壓器電阻阻值為RH=100 MΩ,RC=3 MΩ,RN=30 kΩ,詳細參數見表1。

電子開關作為自校準功能的核心器件,對響應速度、導通電阻及泄露電流等多方面也有要求。在引入電子開關后,不能對電壓傳感器測量精確度等級造成影響。結合電子開關的應用場景,最終選擇SHV12-1A85-78L4K簧片高壓繼電器作為電子開關,其具體參數指標如表2所示。

表2 SHV12-1A85-78L4K詳細參數Table 2 Detailed parameters of SHV12-1A85-78L4K

為進一步提高測量裝置的準確度等級,調理電路設計為多檔調理模式,低壓測量電路原理圖如圖3所示。待采樣模擬電壓信號分為3路分別調理后進入信號采集及處理電路。信號采集及處理電路中模數轉換器具有同步采樣3路信號的功能。微處理器接收到采集單元同步采樣的3路數據,根據處理后初步得到被測高電壓所處幅值范圍選擇相應檔位的一路信號進行被測高電壓數值計算以及電阻分壓器高壓臂電阻阻值的校準。

圖3 低壓測量電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of low voltage measuring circuit

2.2 自校準算法設計

根據自校準電壓傳感器方案可知,當分壓器高壓臂電阻出現老化時,微處理器內部所存儲的分壓比與實際分壓比存在差異,導致測量產生誤差,電壓傳感器準確度降低。此時,微處理器通過控制電子開關進行自校準操作。為了進一步保證自校準后的分壓比貼近分壓器真實分壓比,在自校準流程實施過程中采取一定優化措施。低壓測量電路原理圖如圖3所示。

由式(3)可知,當傳感器結構確定后,電阻分壓器高壓臂電阻阻值校準數值RHJ與分壓器低壓側輸出電壓VN與V′N有關。由于ADC存在有效位數的限制,故分壓器低壓側輸出電壓VN與V′N數值越大則后端引入的相對誤差則越小。故將自校準的啟動條件設置為被測電壓最大時進行,即傳感器的額定電壓10 kV。

由自校準理論方案可知,在聯立方程過程中,需要確保被測電壓VH在開關斷開與閉合過程中保持一致。在實際情況下,直流系統存在紋波或其他電壓波動的情況,要求電壓數值嚴格一致較為困難,故結合實際要求被測電壓波動小。進行電阻分壓器高壓臂電阻組織RH的具體校準流程如圖4所示,自校準流程細節說明為:

圖4 分壓器電阻RH校準流程圖Fig.4 Flow chart of voltage divider resistor RH calibration

1)保持電子開關K關斷,在3倍電子開關K切換與數據采集周期內連續多次采集低壓側電壓VN并計算出被測電壓VH,計算并判斷VH的2倍標準差δ(VH)是否小于允許偏差λ,根據判斷結果決定是否進行電阻分壓器高壓臂電阻RH校準。

2)若δVH>λ,說明此時被測電壓不穩定,不宜進行分壓器高壓臂電阻校準,重復步驟1)。

3)若δVH≤λ,表明此時被測電壓可能處于穩定狀態,微處理器控制電子開關K的導通和關斷,實現低壓側電壓的分時采樣,計算分壓器高壓臂電阻RH的校準值RHJ;并重復該步驟多次,求取分壓器高壓臂電阻校準值RHJ的均值RHJ0。滿足判斷條件時,選取校準均值RHJ0作為新的分壓器高壓臂電阻值;若不滿足判斷條件,則說明在校準過程中,被測電壓不穩定,校準失敗,需要重新進行校準,重復步驟1)。

3 試驗設計與試驗結果

3.1 試驗方案設計

為對中壓直流電壓傳感器的性能進行檢驗,確保中壓直流電壓傳感器最終性能達到設計與研發所預期的標準要求,針對中壓直流電壓傳感器樣機分別進行基本準確度試驗、自校準試驗。兩個試驗在試驗室環境下進行,環境溫度控制在25 ℃,相對濕度為45%,大氣壓力為96.00 kPa。

3.1.1 基本準確度試驗

基本準確度試驗所采用的試驗方法為比較法。該方法是將所研制的電壓傳感器樣機與精度更高的基準電壓傳感器的測量結果進行比較,并計算電壓誤差,原理圖如圖5所示。在現實情況下,基準電壓傳感器一般由標準互感器與高精確度采集單元構成,標準互感器與高精度采集單元的基本信息如表3所示。

表3 儀器設備信息Table 3 Equipment informations

圖5 比較法試驗線路布置圖Fig.5 Wiring arrangement of comparative method

3.1.2 自校準試驗

自校準試驗試驗的目的是檢驗傳感器自校準功能所計算出的RH校準值與真實值的相近程度。理論上應將通過自校準算法所計算出的校準值RHJ與電阻RH真實值進行比較,但由于電阻RH已經被安裝于直流分壓器中,其真實值難以獲取,并且與其相連的RC,RN與電子開關K都會影響RH阻值的測量。因此,通過將自校準值RHJ與其自身進行比較從而判斷自校準算法的有效性。理論上,傳感器的額定測量電壓為10 kV,為了提高自校準操作的準確性,在程序設計時自校準操作只會在額定測量電壓10 kV下進行,考慮到實際情況,傳感器中缺少非線性器件,通過在1 kV和10 kV下強制執行自校準操作,記錄分壓器二次側輸出電壓,可以進一步驗證自校準的有效性。

3.2 試驗結果

3.2.1 基本準確度試驗結果

按照基本準確度試驗方法,分別選取額定直流電壓百分數的 10%、20%、80%、100%、120%、150%、170%與 200%進行試驗,每次測量重復 10 次,測量結果如圖6和表4所示。

表4 基本準確度測試結果Table 4 Results of basic accuracy experiments V

圖6 比較法測試數據圖Fig.6 Data diagram of comparative experiments

根據圖6和表4中數據可知,中壓直流電壓傳感器樣機電壓測量試驗結果具有良好的一致性。當測量電壓小于10 kV 時,中壓直流電壓傳感器樣機的最大標準偏差小于0.12 V。即使測量電壓達到20 kV,最大標準偏差也只有0.50 V,中壓直流電壓傳感器樣機的重復性誤差小于0.005%,這意味著傳感器的隨機誤差很小,幾乎可以忽略不計。從表4中還可以發現,中壓直流電壓傳感器樣機的結果通常比參考值大,這是由于RH的固有誤差造成的,電阻RH的準確度等級只達到0.1 級。

3.2.2 自校準試驗結果

在一次側電壓1 kV和10 kV條件下,執行自校準操作,電子開關 K 斷開與閉合時,分壓器二次側電壓輸出數值如表5所示。

表5 分壓器低壓側電壓輸出結果Table 5 Voltage output on low voltage side of the divider V

根據式(3)對表5中的數據進行RH理論值的計算,結果如圖7所示。10 kV的最大自校準結果為100.25 MΩ,最小自校正結果為99.90 MΩ。1 kV的最大自校正結果為104.25 MΩ,最小自校正結果為101.99 MΩ。10 kV的自校準結果小于1 kV的自校準結果,標準差較小,更為穩定。

圖7 1 kV和10 kV下RH自校準計算結果Fig.7 Self-correction results of RH at 1 kV and 10 kV

4 試驗結果分析

4.1 基本準確度試驗結果分析

由表4可知,當測量電壓范圍為0～8 kV時,電壓傳感器樣機最大絕對誤差為5 V。當被測電壓在8～12 kV范圍內時,最大絕對誤差為7 V,當被測電壓在12～20 kV范圍內時,最大絕對誤差為12 V。傳感器的額定電壓為10 kV。用該傳感器測量20 kV電壓時,其基準誤差為0.12%。僅用于測量0～10 kV電壓時,其精度等級達到0.1。文中研制的傳感器在測量20 kV直流電壓的情況下,精度等級達到0.2。

4.2 自校準試驗結果分析

根據表5和圖7中的數據,得到自校準過程的結果如表6所示。

表6 RH自校準計算結果Table 6 Self-correction results MΩ

根據表6中的數據可知,在1 kV時進行自校準計算得到的RH校準值大于10 kV時的校準值,這一現象的原因是在隔離電路中使用了AD215芯片。AD215芯片是一款隔離變壓器,其在電路中承擔著分隔高壓側與低壓側的重要作用,能夠有效防止高壓側電路故障對低壓側電路的損壞。但AD215中有一個較大的輸出偏移電壓,根據AD215的芯片數據手冊可知,其初始輸出偏移電壓在-80～0 mV之間。因此,VN與V′N的測量值均小于實際值。并且,在1 kV時影響較大,因為1 kV時的被測電壓是10 kV的10%,所引起的相對誤差更大。不同偏移電壓下RH的結果見表7。

表7 不同偏移電壓下RH校準值Table 7 Self-correction results of RH on different offset voltage

通過將輸入電壓置零,得到輸出電壓即可反推出AD215偏置電壓。根據試驗結果,偏移電壓約為-10 mV。因此,在1 kV和10 kV下獲得的RH校準值分別為100.03 MΩ和99.69 MΩ。此外,考慮到分壓器二次側輸出電壓于10 kV下是1 kV下的10倍,當偏移電壓改變時,對1 kV條件下二次側輸出電壓的影響更大。因此,在進行RH自校準時,應選擇接近10 kV的電壓,進一步驗證了自校準條件的合理性。

5 結論

當基于分壓器的中壓電壓傳感器應用于艦船等復雜電磁環境場所時,會因電磁輻射導致電阻老化從而降低測量精度。為解決這一問題,文中設計了一種具有自校準功能的電壓傳感器,并研制了樣機進行重復性試驗和自校正試驗。試驗結果表明:

1)基于分壓法的電壓傳感器測量隨機誤差極小,在短時間內測量穩定性高。當被測電壓為20 kV時,最大標準差僅為0.5 V,被測傳感器的重復性誤差小于0.005%。

2)傳感器通過增加電子開關等裝置實現自我校準。雖然增加了裝置的復雜性,但試驗結果表明,自校正不確定度仍小于0.17%,遠小于長期使用后因老化等原因造成的誤差。

3)現階段傳感器樣機只用于直流方案測量,后續可針對方案進行改進,增加傳感器帶寬,以適應中壓交流工況,同時針對交流自校準算法進行進一步開發。