潘 攀，曹芷馨，史嘉昭，賈海恩，吳宇凡

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

第二代新型艦載直流電力系統(tǒng)采用電力電子技術(shù),相比于第一代交流電力系統(tǒng),具有續(xù)航強(qiáng)、噪聲低、隱身性好的優(yōu)勢(shì),為高能武器發(fā)射提供了穩(wěn)定的能源供應(yīng),并允許高頻次大功耗彈箭發(fā)射行為,增強(qiáng)了艦船戰(zhàn)斗力[1-5]。因此多國艦船也在推廣應(yīng)用第二代新型艦載直流電力系統(tǒng)。同時(shí),為了確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行,針對(duì)kV級(jí)別中壓直流電力系統(tǒng)的特性,對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)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(yīng)法[6-9]、磁通門法[6,10]、光學(xué)法[6,11-15]和分壓法等[6,16-18]。Lee等[11]設(shè)計(jì)了一款基于霍爾效應(yīng)的傳感器,其精度可達(dá)到0.5級(jí);Chen[13]設(shè)計(jì)并測試了一種光纖電壓傳感器,其響應(yīng)姿態(tài)與測量電壓近似線性,傳感器輸出與傳統(tǒng)電壓互感器輸出之間的相對(duì)誤差為0.8%?，F(xiàn)階段基于分壓法的電子式電壓傳感器因成本低廉與技術(shù)成熟度高而被廣泛應(yīng)用于直流電壓監(jiān)測。但是分壓器承壓器件在長時(shí)間強(qiáng)電場及艦船復(fù)雜電磁環(huán)境作用下容易老化,導(dǎo)致分壓器分壓比漂移,需要定期人工校準(zhǔn),增加了使用成本。同時(shí),基于電阻分壓法的電子式電壓傳感器存在難以同時(shí)兼顧測量范圍與測量準(zhǔn)確度等級(jí)的缺陷。因此文中提出一種適用于艦載電力系統(tǒng)的自校準(zhǔn)中壓直流電壓傳感器方案,并開發(fā)出配套的直流電壓傳感器樣機(jī)。

1 自校準(zhǔn)電壓傳感器方案設(shè)計(jì)

自校準(zhǔn)電壓傳感器采用電阻分壓法實(shí)現(xiàn)電壓測量,在傳統(tǒng)直流電阻分壓器的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn),整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 中壓電壓傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of medium-voltage voltage sensor

自校準(zhǔn)電壓傳感器主要由電阻分壓器、保護(hù)電路、低壓測量電路以及通信電路等部分組成。自校準(zhǔn)電阻分壓器由3個(gè)等效電阻RH,RC和RN串聯(lián)組成。其中RH與一次側(cè)高電壓相連接,RN與地線相連,RC串聯(lián)在RH和RN之間。相比于傳統(tǒng)電阻分壓器,自校準(zhǔn)電阻傳感器增加了一個(gè)電子開關(guān)K,電子開關(guān)K與電阻RC并聯(lián),電子開關(guān)受微處理器控制。

在正常測量情況下,一次側(cè)高電壓VH經(jīng)直流電阻分壓器得到二次側(cè)低電壓VN,二次側(cè)電壓經(jīng)過保護(hù)電路、信號(hào)調(diào)理電路輸入至 ADC,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸至微處理器,數(shù)字信號(hào)在微處理器內(nèi)部按照分壓公式即式(1)進(jìn)行計(jì)算即可得到被測高電壓數(shù)值,通信電路將計(jì)算結(jié)果通過通訊接口進(jìn)行傳輸,即完成對(duì)一次側(cè)高電壓的測量過程。

(1)

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

在分壓器長時(shí)間工作后,其高壓側(cè)電阻分壓元器件由于強(qiáng)電場、磁場,甚至電暈放電及環(huán)境參數(shù)等原因?qū)е缕淅匣?電阻分壓器的分壓比隨之變化,以標(biāo)稱分壓比進(jìn)行測量時(shí)會(huì)出現(xiàn)測量誤差。此時(shí),傳感器的工作模式轉(zhuǎn)換為自校準(zhǔn)模式,微處理器會(huì)識(shí)別一次側(cè)電壓是否穩(wěn)定并且是否處于額定狀態(tài)。如滿足條件,即量化為一次側(cè)電壓波動(dòng)σ小于給定的值, 電子開關(guān)K則會(huì)在微處理器的控制下閉合與斷開,當(dāng)電子開關(guān)K斷開時(shí),電壓計(jì)算滿足式(1);當(dāng)電子開關(guān)K閉合,電壓計(jì)算滿足式(2)。

(2)

聯(lián)立式(1)與式(2),在自校準(zhǔn)操作時(shí)嚴(yán)格控制一次側(cè)電壓穩(wěn)定,因此可以消去式(1)與式(2)中VH,可得到式(3)。由式(3)計(jì)算可得分壓器高壓臂電阻校準(zhǔn)值,根據(jù)校準(zhǔn)值即可更新微處理器內(nèi)分壓器分壓比,從而完成電壓傳感器的自校準(zhǔn)工作。

(3)

式中:RHJ為分壓器高壓臂電阻校準(zhǔn)值;VN為電子開關(guān)K斷開時(shí)二次側(cè)低壓輸出值;V′N為電子開關(guān)K閉合時(shí)二次側(cè)低壓輸出值;RN為低壓二次側(cè)接地電阻阻值;RC為低壓二次側(cè)中間電阻阻值。

2 自校準(zhǔn)電壓傳感器樣機(jī)制造

依據(jù)中壓直流電壓系統(tǒng)工況,設(shè)計(jì)額定測量電壓為10 kV,測量范圍滿足0～20 kV的自校準(zhǔn)中壓直流電壓傳感器樣機(jī)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

直流電壓傳感器樣機(jī)結(jié)構(gòu)方案如圖2所示,傳感器結(jié)構(gòu)上分為高壓均壓環(huán)、絕緣臂和底座。高壓均壓環(huán)和絕緣臂是常見的分壓器外部結(jié)構(gòu)。高壓電阻RH置于高壓絕緣套管內(nèi),采用絕緣油進(jìn)行封閉,避免外界濕度對(duì)儀器本身產(chǎn)生影響,同時(shí)可以對(duì)高壓電阻RH進(jìn)行冷卻,提高測量準(zhǔn)確度。低壓臂電阻RC,RN與電子開關(guān)置于分壓器底座內(nèi),通過環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行灌封,降低溫濕度對(duì)電阻的影響。保護(hù)電路、信號(hào)采集電路等集成于電路板上,內(nèi)部通過頂板開孔和分壓器底部進(jìn)行電氣相連,同時(shí)在分壓器底部側(cè)面設(shè)置光纖端子進(jìn)行信號(hào)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(dāng)電壓恒定時(shí)分壓器電阻阻值過小會(huì)增加電阻本身的熱損耗,導(dǎo)致分壓電阻阻值不穩(wěn),影響分壓比,增加測量誤差;另一方面,電阻阻值過大時(shí),由于電流過小而使可能產(chǎn)生電暈放電和絕緣支架漏電的影響增強(qiáng),從而導(dǎo)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(xì)參數(shù)見表1。

電子開關(guān)作為自校準(zhǔn)功能的核心器件,對(duì)響應(yīng)速度、導(dǎo)通電阻及泄露電流等多方面也有要求。在引入電子開關(guān)后,不能對(duì)電壓傳感器測量精確度等級(jí)造成影響。結(jié)合電子開關(guān)的應(yīng)用場景,最終選擇SHV12-1A85-78L4K簧片高壓繼電器作為電子開關(guān),其具體參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 SHV12-1A85-78L4K詳細(xì)參數(shù)Table 2 Detailed parameters of SHV12-1A85-78L4K

為進(jìn)一步提高測量裝置的準(zhǔn)確度等級(jí),調(diào)理電路設(shè)計(jì)為多檔調(diào)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(hào)分為3路分別調(diào)理后進(jìn)入信號(hào)采集及處理電路。信號(hào)采集及處理電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有同步采樣3路信號(hào)的功能。微處理器接收到采集單元同步采樣的3路數(shù)據(jù),根據(jù)處理后初步得到被測高電壓所處幅值范圍選擇相應(yīng)檔位的一路信號(hào)進(jìn)行被測高電壓數(shù)值計(jì)算以及電阻分壓器高壓臂電阻阻值的校準(zhǔn)。

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(zhǔn)算法設(shè)計(jì)

根據(jù)自校準(zhǔn)電壓傳感器方案可知,當(dāng)分壓器高壓臂電阻出現(xiàn)老化時(shí),微處理器內(nèi)部所存儲(chǔ)的分壓比與實(shí)際分壓比存在差異,導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差,電壓傳感器準(zhǔn)確度降低。此時(shí),微處理器通過控制電子開關(guān)進(jìn)行自校準(zhǔn)操作。為了進(jìn)一步保證自校準(zhǔn)后的分壓比貼近分壓器真實(shí)分壓比,在自校準(zhǔn)流程實(shí)施過程中采取一定優(yōu)化措施。低壓測量電路原理圖如圖3所示。

由式(3)可知,當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)確定后,電阻分壓器高壓臂電阻阻值校準(zhǔn)數(shù)值RHJ與分壓器低壓側(cè)輸出電壓VN與V′N有關(guān)。由于ADC存在有效位數(shù)的限制,故分壓器低壓側(cè)輸出電壓VN與V′N數(shù)值越大則后端引入的相對(duì)誤差則越小。故將自校準(zhǔn)的啟動(dòng)條件設(shè)置為被測電壓最大時(shí)進(jìn)行,即傳感器的額定電壓10 kV。

由自校準(zhǔn)理論方案可知,在聯(lián)立方程過程中,需要確保被測電壓VH在開關(guān)斷開與閉合過程中保持一致。在實(shí)際情況下,直流系統(tǒng)存在紋波或其他電壓波動(dòng)的情況,要求電壓數(shù)值嚴(yán)格一致較為困難,故結(jié)合實(shí)際要求被測電壓波動(dòng)小。進(jìn)行電阻分壓器高壓臂電阻組織RH的具體校準(zhǔn)流程如圖4所示,自校準(zhǔn)流程細(xì)節(jié)說明為:

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

1)保持電子開關(guān)K關(guān)斷,在3倍電子開關(guān)K切換與數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)連續(xù)多次采集低壓側(cè)電壓VN并計(jì)算出被測電壓VH,計(jì)算并判斷VH的2倍標(biāo)準(zhǔn)差δ(VH)是否小于允許偏差λ,根據(jù)判斷結(jié)果決定是否進(jìn)行電阻分壓器高壓臂電阻RH校準(zhǔn)。

2)若δVH>λ,說明此時(shí)被測電壓不穩(wěn)定,不宜進(jìn)行分壓器高壓臂電阻校準(zhǔn),重復(fù)步驟1)。

3)若δVH≤λ,表明此時(shí)被測電壓可能處于穩(wěn)定狀態(tài),微處理器控制電子開關(guān)K的導(dǎo)通和關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)電壓的分時(shí)采樣,計(jì)算分壓器高壓臂電阻RH的校準(zhǔn)值RHJ;并重復(fù)該步驟多次,求取分壓器高壓臂電阻校準(zhǔn)值RHJ的均值RHJ0。滿足判斷條件時(shí),選取校準(zhǔn)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(zhǔn)過程中,被測電壓不穩(wěn)定,校準(zhǔn)失敗,需要重新進(jìn)行校準(zhǔn),重復(fù)步驟1)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為對(duì)中壓直流電壓傳感器的性能進(jìn)行檢驗(yàn),確保中壓直流電壓傳感器最終性能達(dá)到設(shè)計(jì)與研發(fā)所預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)要求,針對(duì)中壓直流電壓傳感器樣機(jī)分別進(jìn)行基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)、自校準(zhǔn)試驗(yàn)。兩個(gè)試驗(yàn)在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行,環(huán)境溫度控制在25 ℃,相對(duì)濕度為45%,大氣壓力為96.00 kPa。

3.1.1 基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)

基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方法為比較法。該方法是將所研制的電壓傳感器樣機(jī)與精度更高的基準(zhǔn)電壓傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行比較,并計(jì)算電壓誤差,原理圖如圖5所示。在現(xiàn)實(shí)情況下,基準(zhǔn)電壓傳感器一般由標(biāo)準(zhǔn)互感器與高精確度采集單元構(gòu)成,標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備信息Table 3 Equipment informations

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

3.1.2 自校準(zhǔn)試驗(yàn)

自校準(zhǔn)試驗(yàn)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)傳感器自校準(zhǔn)功能所計(jì)算出的RH校準(zhǔn)值與真實(shí)值的相近程度。理論上應(yīng)將通過自校準(zhǔn)算法所計(jì)算出的校準(zhǔn)值RHJ與電阻RH真實(shí)值進(jìn)行比較,但由于電阻RH已經(jīng)被安裝于直流分壓器中,其真實(shí)值難以獲取,并且與其相連的RC,RN與電子開關(guān)K都會(huì)影響RH阻值的測量。因此,通過將自校準(zhǔn)值RHJ與其自身進(jìn)行比較從而判斷自校準(zhǔn)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(zhǔn)操作的準(zhǔn)確性,在程序設(shè)計(jì)時(shí)自校準(zhǔn)操作只會(huì)在額定測量電壓10 kV下進(jìn)行,考慮到實(shí)際情況,傳感器中缺少非線性器件,通過在1 kV和10 kV下強(qiáng)制執(zhí)行自校準(zhǔn)操作,記錄分壓器二次側(cè)輸出電壓,可以進(jìn)一步驗(yàn)證自校準(zhǔn)的有效性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果

按照基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)方法,分別選取額定直流電壓百分?jǐn)?shù)的 10%、20%、80%、100%、120%、150%、170%與 200%進(jìn)行試驗(yàn),每次測量重復(fù) 10 次,測量結(jié)果如圖6和表4所示。

表4 基本準(zhǔn)確度測試結(jié)果Table 4 Results of basic accuracy experiments V

圖6 比較法測試數(shù)據(jù)圖Fig.6 Data diagram of comparative experiments

根據(jù)圖6和表4中數(shù)據(jù)可知,中壓直流電壓傳感器樣機(jī)電壓測量試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。當(dāng)測量電壓小于10 kV 時(shí),中壓直流電壓傳感器樣機(jī)的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.12 V。即使測量電壓達(dá)到20 kV,最大標(biāo)準(zhǔn)偏差也只有0.50 V,中壓直流電壓傳感器樣機(jī)的重復(fù)性誤差小于0.005%,這意味著傳感器的隨機(jī)誤差很小,幾乎可以忽略不計(jì)。從表4中還可以發(fā)現(xiàn),中壓直流電壓傳感器樣機(jī)的結(jié)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(zhǔn)確度等級(jí)只達(dá)到0.1 級(jí)。

3.2.2 自校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果

在一次側(cè)電壓1 kV和10 kV條件下,執(zhí)行自校準(zhǔn)操作,電子開關(guān) K 斷開與閉合時(shí),分壓器二次側(cè)電壓輸出數(shù)值如表5所示。

表5 分壓器低壓側(cè)電壓輸出結(jié)果Table 5 Voltage output on low voltage side of the divider V

根據(jù)式(3)對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行RH理論值的計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。10 kV的最大自校準(zhǔn)結(jié)果為100.25 MΩ,最小自校正結(jié)果為99.90 MΩ。1 kV的最大自校正結(jié)果為104.25 MΩ,最小自校正結(jié)果為101.99 MΩ。10 kV的自校準(zhǔn)結(jié)果小于1 kV的自校準(zhǔn)結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)差較小,更為穩(wěn)定。

圖7 1 kV和10 kV下RH自校準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Self-correction results of RH at 1 kV and 10 kV

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4可知,當(dāng)測量電壓范圍為0～8 kV時(shí),電壓傳感器樣機(jī)最大絕對(duì)誤差為5 V。當(dāng)被測電壓在8～12 kV范圍內(nèi)時(shí),最大絕對(duì)誤差為7 V,當(dāng)被測電壓在12～20 kV范圍內(nèi)時(shí),最大絕對(duì)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(shí),其基準(zhǔn)誤差為0.12%。僅用于測量0～10 kV電壓時(shí),其精度等級(jí)達(dá)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(jí)達(dá)到0.2。

4.2 自校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表5和圖7中的數(shù)據(jù),得到自校準(zhǔn)過程的結(jié)果如表6所示。

表6 RH自校準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果Table 6 Self-correction results MΩ

根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)可知,在1 kV時(shí)進(jìn)行自校準(zhǔn)計(jì)算得到的RH校準(zhǔn)值大于10 kV時(shí)的校準(zhǔn)值,這一現(xiàn)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(dān)著分隔高壓側(cè)與低壓側(cè)的重要作用,能夠有效防止高壓側(cè)電路故障對(duì)低壓側(cè)電路的損壞。但AD215中有一個(gè)較大的輸出偏移電壓,根據(jù)AD215的芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)際值。并且,在1 kV時(shí)影響較大,因?yàn)? kV時(shí)的被測電壓是10 kV的10%,所引起的相對(duì)誤差更大。不同偏移電壓下RH的結(jié)果見表7。

表7 不同偏移電壓下RH校準(zhǔn)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(jù)試驗(yàn)結(jié)果,偏移電壓約為-10 mV。因此,在1 kV和10 kV下獲得的RH校準(zhǔn)值分別為100.03 MΩ和99.69 MΩ。此外,考慮到分壓器二次側(cè)輸出電壓于10 kV下是1 kV下的10倍,當(dāng)偏移電壓改變時(shí),對(duì)1 kV條件下二次側(cè)輸出電壓的影響更大。因此,在進(jìn)行RH自校準(zhǔn)時(shí),應(yīng)選擇接近10 kV的電壓,進(jìn)一步驗(yàn)證了自校準(zhǔn)條件的合理性。

5 結(jié)論

當(dāng)基于分壓器的中壓電壓傳感器應(yīng)用于艦船等復(fù)雜電磁環(huán)境場所時(shí),會(huì)因電磁輻射導(dǎo)致電阻老化從而降低測量精度。為解決這一問題,文中設(shè)計(jì)了一種具有自校準(zhǔn)功能的電壓傳感器,并研制了樣機(jī)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)和自校正試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)基于分壓法的電壓傳感器測量隨機(jī)誤差極小,在短時(shí)間內(nèi)測量穩(wěn)定性高。當(dāng)被測電壓為20 kV時(shí),最大標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.5 V,被測傳感器的重復(fù)性誤差小于0.005%。

2)傳感器通過增加電子開關(guān)等裝置實(shí)現(xiàn)自我校準(zhǔn)。雖然增加了裝置的復(fù)雜性,但試驗(yàn)結(jié)果表明,自校正不確定度仍小于0.17%,遠(yuǎn)小于長期使用后因老化等原因造成的誤差。

3)現(xiàn)階段傳感器樣機(jī)只用于直流方案測量,后續(xù)可針對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn),增加傳感器帶寬,以適應(yīng)中壓交流工況,同時(shí)針對(duì)交流自校準(zhǔn)算法進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。