專利名稱：一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，尤 其涉及一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量中電纜分布電容所造成的 測量誤差的電路。
技術(shù)背景目前，用于高電壓精確測量的電容分壓器中，由壓縮氣體標準電容器作為分壓器高壓臂C1、高穩(wěn)定度云母電容器C2作為分壓器低壓臂，具有結(jié)構(gòu)簡 單、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、適應性強，動態(tài)性能好等一系列優(yōu)點，圖1所 示為其結(jié)構(gòu)示意圖，高壓臂壓縮氣體標準電容器C1、低壓臂云母電容器C2、 參考電容器C3串接在高壓線與地之間；但由于壓縮氣體標準電容器C1的初 始電容量很小， 一般在幾十皮法，而連接高壓臂與低壓臂的電纜10本身所具 備的分布電容卻較大，同軸電纜的分布電容可達幾十至幾百皮法每米，分布 電容的存在不僅改變了分壓器的分壓比，而且這些電容是隨外界溫度、擺放 形狀等環(huán)境因素變化的，分布電容量的變化量直接影響測量精度，所以必須 設法消除寄生電容對電容分壓器的影響。在傳統(tǒng)的電容式傳感器測量回路中，通常都會遇到分布電容、寄生電容對 測量產(chǎn)生影響的問題，已有的對消除電容式傳感器寄生電容，可以采用"驅(qū)動 電纜"技術(shù)，減小寄生電容，"驅(qū)動電纜"技術(shù)的原理如圖2所示，在傳感器(圖 中未顯示)之后采用雙層屏蔽電纜(包括雙屏蔽同軸電纜芯線1、內(nèi)屏蔽層2、 外屏蔽線3)，并接入增益為l的驅(qū)動放大器U1，這種接法可使得內(nèi)屏蔽層2 與芯線l等電位，進而消除了芯線1對內(nèi)屏蔽層2的容性漏電，克服了寄生 電容的影響，圖2中所示的電容Cx指的是測量用電容傳感器，電容傳感器由于受幾何尺寸的限制，其容量都是很小的， 一般僅幾個皮法到幾十皮法，因 容量太小，故容抗XC-1/C0C很大，為高阻抗元件，所以，驅(qū)動放大器U1可 以看成是一個輸入阻抗很高，且具有容性負載，放大倍數(shù)為1的同相放大器。 另外，采用集成法也是消除電容傳感器寄生電容干擾的一種有效方法。這 種方法就是將傳感器與電子線路的前置級一同封裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感 器到前置放大級的電纜，這樣，寄生電容就可大大減小而且保持固定不變， 使儀器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。但是這種做法因為電子元器件的存在而不能在相 對高溫或環(huán)境惡劣的地方正常使用。也可利用集成工藝，把傳感器和調(diào)理電 路集成于同一芯片，構(gòu)成集成電容傳感器。上述的方法都是針對100KV以下低電壓的電容式傳感器測量而設計的，例如平板式位移傳感器，其特點在于測量電壓低，測量用電容式傳感器體積 小，傳輸電纜長度短，而用于高電壓精確測量的電容分壓器中，其測量電壓高達120kV，作為分壓器高壓臂的標準電容器體積較大(高2000mm，直徑 500mm)，傳輸電纜長度達10米以上，所以，上述方法不能直接應用于100KV 以上高電壓精確測量的電容分壓器中。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于消除100kV以上高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路。一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中包括用 于連接在高壓臂壓縮氣體標準電容器、低壓臂云母電容器之間的雙屏蔽同軸 電纜以及誤差消除電路；所述誤差消除電路包括雙差分放大器電路、信號驅(qū) 動電路、信號跟隨電路、輸出偏置調(diào)節(jié)電路，所述雙差分電路的測量信號輸 入端連接低壓臂電容器的兩端，所述雙差分電路的兩輸出端分別對應連接信 號跟隨電路的反相、同相信號輸入端，信號跟隨電路的同相輸入端還連接輸 出偏置調(diào)節(jié)電路的信號輸出端，信號跟隨電路的輸出端用于連接測量儀器的信號輸入端；信號驅(qū)動電路的兩輸入端分別對應連接所述雙差分電路的兩輸 出端，信號驅(qū)動電路的輸出端用于連接雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層。所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中所述 雙差分電路包括第一、第二運算放大器，第一、第二運算放大器的反饋電阻 的反饋信號輸出端之間串接有一差分增益調(diào)整電阻，構(gòu)成差分增益調(diào)整電路; 第一、第二運算放大器的同、反相輸入端之間均連接有一用于保護的TVS管； 第一運算放大器的同相輸入端連接低壓臂電容器的高電壓端，第二運算放大 器的同相輸入端連接低壓臂電容器的低電壓端。所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中所述 的輸出偏置調(diào)節(jié)電路包括直流電源、第四運算放大器，第四運算放大器的同 相信號輸入端通過第一電位器的動觸點連接于直流電源，第四運算放大器的 輸出端與其反相信號輸入端連接構(gòu)成的反饋輸出端連接于雙差分電路的第二 運算放大器輸出端與信號跟隨電路的同相信號輸入端之間。所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中所述 的信號跟隨電路包括第三運算放大器，第三運算放大器的反相信號輸入端連 接于雙差分電路中第一運算放大器的輸出端，第三運算放大器的同相信號輸 入端一路連接于雙差分電路中第二運算放大器的輸出端，第三運算放大器同 相信號輸入端的另一路連接于所述輸出偏置調(diào)節(jié)電路中第四運算放大器的反 饋輸出端；第三運算放大器的輸出端通過一反饋電阻連接第三運算放大器的 反相信號輸入端，第三運算放大器的輸出端用于連接測量儀器的信號輸入端。所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，所述的信號 驅(qū)動電路包括第五運算放大器，該第五運算放大器同相信號輸入端的第一路 通過第一分壓電阻連接所述雙差分電路中第一運算放大器的輸出端，該第五 運算放大器同相信號輸入端的第二路通過第二分壓電阻連接所述雙差分電路 中第二運算放大器的輸出端，第五運算放大器反相信號輸入端連接第二電位器的動觸點，第二電位器的第一靜觸點連接第五運算放大器的輸出端，第二 電位器的第二靜觸點接地；第五運算放大器的輸出端用于連接雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案將達到如下的技術(shù)效果本發(fā)明的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，先由雙差 分電路和信號驅(qū)動電路對低壓臂電容器兩端的電壓信號進行l(wèi): l放大，使信 號驅(qū)動電路的輸出電位與低壓臂電容器高壓端電位同幅值同相位，并將信號 驅(qū)動電路的輸出連接至雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層，此時雙屏蔽電纜的芯線和內(nèi) 屏蔽層的電位同幅值同相位，因此，存在于雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層和芯線之間 的分布電容兩端將無電位差，因而也無分流；由于分布電容中無電流通過， 從而不會產(chǎn)生壓降，此分布電容將不再對分壓器的分壓比產(chǎn)生影響。雙層屏 蔽電纜的外層屏蔽接地，使內(nèi)部傳輸?shù)男盘柌皇芡獠扛蓴_的影響；輸出偏置調(diào)節(jié)電路用于將雙差分電路的輸出信號中的直流偏置電壓消除后送入信號跟 隨電路中進行反相放大處理，最后信號跟隨電路的輸出信號送至測量儀器進行測量；所述雙差分電路中第一、第二運算放大器采用儀表放大器的結(jié)構(gòu)， 對信號處理更加精密、精確。綜上，本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效避免雙 屏蔽電纜芯線與內(nèi)屏蔽層之間的分布電容、寄生電容對后續(xù)電路處理信號的 影響，并消除了雙差分電路輸出的直流偏置電壓，從而實現(xiàn)了對高壓標準電 容分壓器電壓測量誤差的消除處理，既能保證低壓臂分壓信號不受測量回路 輸入阻抗的影響，又能消除高低壓臂之間的連接電纜的分布電容的影響。


圖1為高壓標準電容分壓器的結(jié)構(gòu)圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中用于消除圖1所示高壓標準電容分壓器寄生電容所產(chǎn) 生誤差的"驅(qū)動電纜技術(shù)"的電路原理圖；圖3為本發(fā)明的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路原理圖；圖4為使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量后與未使用圖3所示電路測量后的測量比差的對比圖；圖5為使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量 后與未使用圖3所示電路測量后的測量角差的對比圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中包括用于連接在高壓臂壓縮氣體標準電容器C1、低壓臂云母電容器C2之間的雙屏蔽同軸電纜以及誤差消除電路；用于100KV以上高壓的高壓標準 電容分壓器的結(jié)構(gòu)也如圖1所示，該高壓標準電容分壓器中，高壓臂壓縮氣 體標準電容器C1、低壓臂云母電容器C2、參考電容器C3串接在高壓線與地 之間，高壓臂壓縮氣體標準電容器Cl與低壓臂云母電容器C2之間的電纜為 雙屏蔽同軸電纜10;所述誤差消除電路包括雙差分放大器電路、信號跟隨電 路、信號驅(qū)動電路、輸出偏置調(diào)節(jié)電路，所述雙差分電路的測量信號輸入端 用于連接高壓標準電容分壓器中的低壓臂電容器C2的兩端，所述雙差分電路 的兩輸出端分別對應連接信號跟隨電路的反相、同相信號輸入端，信號跟隨 電路的同相輸入端還連接輸出偏置調(diào)節(jié)電路的信號輸出端，信號跟隨電路的 輸出端用于連接測量儀器的信號輸入端；信號驅(qū)動電路的兩輸入端分別對應 連接所述雙差分電路的兩輸出端，信號驅(qū)動電路的輸出端用于連接雙屏蔽電 纜10的內(nèi)屏蔽層。所述雙差分電路包括第一、第二運算放大器A1、 A2，第一、第二運算放 大器Al、 A2的反饋電阻R5、 R6的反饋信號輸出端之間串接有一差分增益調(diào) 整電阻RG，構(gòu)成差分增益調(diào)整電路；第一、第二運算放大器A1、 A2的同、 反相輸入端之間均連接有一用于保護的TVS管(TVS管的中文全稱是瞬態(tài)電 壓抑制器)，用于防止雷擊或其它浪涌電壓；第一運算放大器Al的同相輸入端通過分壓電阻R1連接雙屏蔽同軸電纜10的內(nèi)屏蔽層，第二運算放大器A2的同相輸入端通過分壓電阻R4連接雙屏蔽同軸電纜10的芯線。該雙差分電路的連接構(gòu)成是根據(jù)儀用放大器的結(jié)構(gòu)設計的，處理精度更高，有效消除雙屏蔽同軸電纜io上的寄生電容、分布電容所造成的信號電壓波動的影響。所述的輸出偏置調(diào)節(jié)電路包括士15V直流電、源、第四運算放大器A4，第 四運算放大器A4的同相信號輸入端通過電阻Rll連接第一電位器R13的動 觸點，第一電位器R13的兩個靜觸點分別對應連接土15V直流電源，第四運算 放大器A4的輸出端與其反相信號輸入端連接構(gòu)成的反饋輸出端連接于雙差 分電路的第二運算放大器A2輸出端與信號跟隨電路的同相信號輸入端之間。 所述的信號跟隨電路包括第三運算放大器A3，第三運算放大器A3的反 相信號輸入端通過分壓電阻R7連接雙差分電路中第一運算放大器Al的輸出 端(第一運算放大器Al的輸出端輸出信號電壓標示為Voutl)，第三運算放大 器A3的同相信號輸入端一路通過電阻R8連接2又差分電路中第二運算放大器 A2的輸出端(第二運算放大器A2的輸出端輸出信號電壓標示為Vout2)，第 三運算放大器A3同相信號輸入端的另一路通過^^壓電阻R10連接于所述輸出 偏置調(diào)節(jié)電路中第四運算放大器A4的反饋輸出》g;第三運算放大器A3的輸 出端通過一反饋電阻R9連接第三運算放大器A3的反相信號輸入端，第三運 算放大器A3的輸出端用于連接測量儀器的信號ll入端。所述的信號驅(qū)動電路包括第五運算放大器A5，該第五運算放大器A5同 相信號輸入端的第一路通過分壓電阻R14連接^f述雙差分電路中第一運算放 大器A1的輸出端，該第五運算放大器A5同相信號輸入端的第二路通過分壓 電阻R15連接所述雙差分電路中第二運算放大器A2的輸出端，第五運算放大 器A5反相信號輸入端通過分壓電阻R16連接第二電位器R17的動觸點，第 二電位器R17的第一靜觸點連接第五運算放大器A5的輸出端，第二電位器 R17的第二靜觸點接地；第五運算放大器A5的lr出端用于連接雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層。本發(fā)明的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，先由雙差 分電路和信號驅(qū)動電路對低壓臂電容器兩端的電壓信號進行l(wèi): l放大，使信 號驅(qū)動電路的輸出電位與低壓臂電容器高壓端電位同幅值同相位，并將信號 驅(qū)動電路的輸出連接至雙屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層，此時雙屏蔽電纜的芯線和內(nèi) 屏蔽層的電位同幅值同相位，因此，存在于雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層和芯線之間 的分布電容兩端將無電位差，因而也無分流；由于分布電容中無電流通過， 從而不會產(chǎn)生壓降，此分布電容將不再對分壓器的分壓比產(chǎn)生影響。雙層屏 蔽電纜的外層屏蔽接地，使內(nèi)部傳輸?shù)男盘柌皇芡獠扛蓴_的影響；輸出偏置 調(diào)節(jié)電路用于將雙差分電路的輸出信號中的直流偏置電壓消除后送入信號跟 隨電路中進行反相放大處理，最后信號跟隨電路的輸出信號送至測量儀器進雙差分電路中，由于兩放大器Al、 A2求和點的電壓等于施加在各自同 相輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓都施加在增益調(diào)整電阻RG的兩端。 因為輸入電壓Vinl、 Vin2分別經(jīng)過放大器Al、 A2放大后的差分電壓Voutl、 Vout2呈現(xiàn)在反饋電阻R5、 R6和增益調(diào)整電阻RG上，所以差分增益可以通 過僅改變電阻RG進行調(diào)整。如果電阻R5的阻值-電阻R6的阻值，電阻R7 的阻值=電阻R8的阻值，電阻R9的阻值=電阻R10的阻值，則本實施例用 于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路的輸出電壓Vout = (Vin2 — Vinl)(l+2R5/RG)(R9/R7)+Vcom， Vcom為靠改變電位器R13的動觸點的位 置而改變的參考電壓，用以消除輸出電壓Vout中的直流偏置電壓。在電阻RG趨近無窮大時，且電阻R9的阻值=電阻R7的阻值時，電壓 Voutl的值=電壓Vinl的值，電壓Vout2的值=電壓Vin2的值，電壓Vout的值 =電壓^112的值-電壓^111的值。此時，第五運算放大器A5的輸入信號為電 壓Vin2的值-電壓Vinl的值，通過調(diào)節(jié)電位器R17動觸點的位置，可調(diào)整第五運算放大器A5回路的放大倍數(shù)為1，即第五運算放大器A5的輸出電壓Vdn^電壓Vin2的值-電壓Vinl的值，因此可以說雙屏蔽電纜的芯線和內(nèi)屏蔽 層的電位同幅值同相位。圖4為使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量 后的測量比差曲線7與未使用圖3所示電路測量后的測量比差曲線8的對比 圖(測量比差指的是被測量的量與標準值的幅值誤差，測量比差越接近零代 表誤差越小，測量比差在不同的測量電壓點變化幅度很大代表穩(wěn)定度不好)， 從圖中可見，同一測量電壓點上，使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電 壓測量誤差的電路測量后的測量比差值基本上都比未使用圖3所示電路測量 后的測量比差值更小，基本上都低于0.1%，并且，在不同的測量電壓點上， 使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量后的測量比 差值變化不大，而未使用圖3所示電路測量后的測量比差值變化副度非常大。圖5為使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量 后的測量角差曲線10與未使用圖3所示電路測量后的測量角差曲線9的對比 圖(測量角差指的是被測量的量與標準值的相位誤差，測量角差接近零代表 誤差越小，測量角差為負值并有幅度變化代表穩(wěn)定度不好)，由圖中可見，同 一測量電壓點上，使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電 路測量后的測量角差值接近于零，未使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器 電壓測量誤差的電路測量后的測量角差值為負值；在不同的測量電壓點上， 使用圖3所示消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路測量后的測量比 差值變化不大，各點測量角差值的連線接近于一水平直線，而未使用圖3所 示電路測量后的測量比差值均為絕對值比較大的負值，且各點測量角差值的 連線為幅度變化較大的鋸齒狀波浪線。從試驗結(jié)果可明顯看出，本發(fā)明提出的消除高壓標準電容分壓器電壓測 量誤差的電路能有效抑制屏蔽電纜雜散電容量對系統(tǒng)測量精度造成的影響，而且，由于電纜分布電容不再對測量產(chǎn)生影響，其受溫度、擺放位置等引起 的電纜分布電容的變化量也不會對測量精度產(chǎn)生影響，這將大大提高高壓測 量技術(shù)的測量精度。
權(quán)利要求
1、一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其特征在于包括用于連接在高壓臂壓縮氣體標準電容器、低壓臂云母電容器之間的雙屏蔽同軸電纜以及誤差消除電路；所述誤差消除電路包括雙差分放大器電路、信號驅(qū)動電路、信號跟隨電路、輸出偏置調(diào)節(jié)電路，所述雙差分電路的測量信號輸入端連接低壓臂電容器的兩端，所述雙差分電路的兩輸出端分別對應連接信號跟隨電路的反相、同相信號輸入端，信號跟隨電路的同相輸入端還連接輸出偏置調(diào)節(jié)電路的信號輸出端，信號跟隨電路的輸出端用于連接測量儀器的信號輸入端；信號驅(qū)動電路的兩輸入端一一對應于連接所述雙差分電路的兩輸出端，信號驅(qū)動電路的輸出端用于連接雙屏蔽電纜內(nèi)屏蔽層。
2、 如權(quán)利要求1所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路， 其特征在于所述雙差分電路包括第一、第二運算放大器，第一、第二運算放 大器的反饋電阻的反饋信號輸出端之間串接有一差分增益調(diào)整電阻，構(gòu)成差分 增益調(diào)整電路；第一、第二運算放大器的同、反相輸入端之間均連接有一用于 保護的TVS管；第一運算放大器的同相輸入端連接低壓臂電容器的高電壓端， 第二運算放大器的同相輸入端連接低壓臂電容器的低電壓端。
3、 如權(quán)利要求2所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路， 其特征在于所述的輸出偏置調(diào)節(jié)電路包括直流電源、第四運算放大器，第四 運算放大器的同相信號輸入端通過第一電位器的動觸點連接于直流電源，第四 運算放大器的輸出端與其反相信號輸入端連接構(gòu)成的反饋輸出端連接于雙差分 電路的第二運算放大器輸出端與信號跟隨電路的同相信號輸入端之間。
4、 如權(quán)利要求3所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路， 其特征在于所述的信號跟隨電路包括第三運算放大器，第三運算放大器的反 相信號輸入端連接于雙差分電路中第一運算放大器的輸出端，第三運算放大器的同相信號輸入端一路連接于雙差分電路中第二運算放大器的輸出端，第三運 算放大器同相信號輸入端的另一路連接于所述輸出偏置調(diào)節(jié)電路中第四運算放 大器的反饋輸出端；第三運算放大器的輸出端通過一反饋電阻連接第二運算放 大器的反相信號輸入端，第三運算放大器的輸出端用于連接測量儀器的信號輸 入端。
5、如權(quán)利要求1至4所述的用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的 電路，所述的信號驅(qū)動電路包括第五運算放大器，該第五運算放大器同相信號 輸入端的第一路通過第一分壓電阻連接所述雙差分電路中第一運算放大器的輸 出端，該第五運算放大器同相信號輸入端的第二路通過第二分壓電阻連接所述 雙差分電路中第二運算放大器的輸出端，第五運算放大器反相信號輸入端連接 第二電位器的動觸點，第二電位器的第一靜觸點連接第五運算放大器的輸出端， 第二電位器的第二靜觸點接地；第五運算放大器的輸出端用于連接雙屏蔽電纜 內(nèi)屏蔽層。
全文摘要
一種用于消除高壓標準電容分壓器電壓測量誤差的電路，其中包括用于連接在高壓臂壓縮氣體標準電容器、低壓臂云母電容器之間的雙屏蔽同軸電纜以及誤差消除電路；所述誤差消除電路包括雙差分放大器電路、信號跟隨電路、輸出偏置調(diào)節(jié)電路，所述雙差分電路的低壓信號輸入端連接雙屏蔽同軸電纜的內(nèi)屏蔽層，所述雙差分電路的測量信號輸入端連接雙屏蔽同軸電纜的芯線，所述雙差分電路的兩輸出端分別對應連接信號跟隨電路的反相、同相信號輸入端，信號跟隨電路的同相輸入端還連接輸出偏置調(diào)節(jié)電路的信號輸出端，信號跟隨電路的輸出端用于連接測量儀器。
文檔編號G01R19/28GK101614766SQ20091006557
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者濤 丁, 昊 劉, 劉韶林, 張嵩陽, 張景超, 晨 時, 楊曉輝, 強 沈, 雍 王, 王英杰, 凱 謝, 東 閻, 飛 馬 申請人:河南電力試驗研究院