1. 概述
数字高压表是用于测量频率范围在30 Hz~300 Hz内的交流和直流高电压的测量仪器[1] ，由高压分压器、传输电缆和低压数字表构成。其中对工频高压分压器、串联谐振系统宽频分压器等在进行计量校准时需要在其高压侧施加高压，然后读取其表计读数并与标准分压器的读数进行对比[2] -[7] 。由于高压工频分压器、串联谐振系统的分压器都是容性负载，当高压数值较高时对其进行校验时所需的电源容量非常大，因此通常是使用市电经过升压后直接加在被检测分压器和标准分压器上，将两个读数进行对比以获得检测数据，此过程中存在几个问题和缺陷会导致校准过程受到很大的限制[8] -[12] ：
市电本身存在较大波动，导致标准分压器的读数不断变化，无法得到准确的示值。当被校准分压器标称精度较高(0.5%或更高)时，无法进行精确计量；市电本身存在较大的波形畸变，使阻容式分压器的变比产生误差，导致分压器的校准结果失真；市电的频率是固定的50 Hz，当需要对串联谐振系统进行校准时，则无法对分压器在不同频率下的读数进行比对。
2. 频率可变的自动化校准系统
针对高压交流分压器检测过程中存在的问题和缺陷，本文设计一套频率可变的自动化校准系统，对工频分压器、串联谐振宽频分压器等进行计量校准。校准时只需要输入待检测的目标电压值，装置自动控制电压输出至目标电压并记录此时的标准分压器读数。用户只需要输入被检测高压计量设备的读数即可。整个试验完成后装置自动生成格式规范的校准报告。
高压交流分压器自动化校准系统原理图如图1所示，系统包括宽频高稳电源、中频高压变压器、宽频高精度分压器、操作控制台。三相交流电源通过变宽频高稳电源后产生频率可调(30~300 Hz)的0~400 V单相交流电压至中频高压变压器。宽频高稳电源的输出电压幅值由试验控制台通过RS232通信口进行控制，在整个升压过程中，操作控制台不断采集宽频分压器的低压臂信号，与设定的目标电压值比较后，将差值作为控制信号实现对宽频稳压电源的控制信号对输出高压值进行调整。操作控制台的软件系统通过监测输出高压、宽频高稳电源的输出电压和输出电流，从而对整个系统的运行状态进行监控，并根据这些电压电流信号的幅值检测系统是否发生了异常故障，一旦发现异常立刻切断整个装置的高压供电系统。
3. 自动化校准系统的硬件设计
3.1. 宽频高稳电源
自动化校准系统的宽频高稳电源原理为：三相电源经过桥式整流变成直流电压源为功率放大模块进
Figure 1. Illustration of the automatic calibration system for ac voltage dividers
图1. 交流高压分压器自动化校准系统原理图
行供电，功率放大模块由标准信号发生器产生标准正弦波进行控制，正弦电压信号通过功率放大模块放大后输出至滤波器滤波，然后对外进行供电。
宽频高稳电源的控制信号来自远程控制工控机，工控机通过RS232发送命令调整标准信号发生器的输出频率和幅值，从改变宽频高稳电源的输出电压频率和幅值。电源内设温度保护与过流保护，一现电流过载或者温度过高时启动保护并发送命令至远程控制工控机。宽频高稳电源的输出功率为20 kVA。输出电压通过隔离变压器输出时引出2个抽头，两个抽头对应的最高输出电压分别为220 V和400 V。
3.2. 中频升压变压器
中频升压变压器输入电压0~400 V，输出电压0~200 kV，输入输出电压的频率为30~300 Hz，为了保证中频升压器在30 Hz下也能达到最高输出电压不饱和，中频升压器比同样电压等级和容量的工频变压器的铁芯容量要高1.67倍以上。为了提高整套系统的可靠性和安全性，中频升压器的铁芯在整个使用过程中通过一个单独的宽频交流电压表监视高压输出值。中频升压变压器的内部绝缘材料使用SF6气体进行绝缘，以保证获得足够的绝缘强度。
3.3. 宽频标准分压器
自动化校准系统的宽频标准分压器其高压臂电容量为100 pF，介损值小于0.00001，为了保证其电容量的稳定，高精度宽频分压器的高压电容内部充SF6气体作为绝缘材料，在高精度宽频分压器的低压臂安装4个1 mF的云母电容。
3.4. 操作控制台
自动化校准系统的操作控制台由工控机、数据采集电路和电源控制开关等组成，采用交流接触器控制变频交流稳压电源的输入电源，一旦控制软件检测到系统异常时，立刻自动断开变频交流稳压电源的三相供电电源以保护系统。试验控制台的工控机通过RS232端口向宽频高稳电源发送电压调整命令，控
制高频高稳电源的输出电压值，并且通过数据采集系统不断采集并监视宽频高稳电源的输出电压、输出电流和校准系统的输出电压值。
4. 自动化校准系统的软件设计与控制流程
自动化校准系统在运行时，首先将需要检测的电压点依次按照上升过程和下降过程设置在控制软件中。控制软件通过宽频高精度分压器采集装置输出高压值，当实际输出电压和目标电压误差在0.1 kV范围内时，保持输出电压稳定。校准过程中控制软件不断监测系统是否短路、过载或谐振。当中频变压器的输入电流峰值突然大于宽频高稳电源最大输出电流的1.414倍时，认为试品发生击穿，立刻切断宽频高稳电源的三相供电回路。
图2为校验流程图，以对200 kV工频分压器校准为例，首先设置目标电压值，设置上升及下降点
Figure 2. Flow chart of the control system
图2. 控制系统软件流程图
Table 1. Measurement and calibrat result
表1. 计量校准结果
20 kV，40 kV…180 kV，200 kV，频率50 Hz。试验启动后从零开始升压，达到20 kV时保持，待用户记录试品的读数后自动升压至下个测试点，依次完成所有电压点的校准。
5. 对本系统计量校准
本文的交流分压器自动化校准系统在中国电科院高压计量中心进行了溯源计量校准认证，如表1所示，在与高压计量中心的标准分压器比对过程中，选取30 Hz、50 Hz、150 Hz、200 Hz等频率进行校验，交流分压器自动化校准系统输出高电压值稳定性好，波动幅度小于0.02 kV，波形畸变率小于1%。
6. 结论
本文提出一种自动化校准系统的装置与方法，用于对高压交流分压器(30~300 Hz)等高压计量仪器的自动化检测方案：高稳定的0~200 kV高压至被检测试品，且输出电压可预设；电压波形畸变率低
于1%，电压波动值小于0.02 kV，频率误差小于0.01Hz。
自动化校准系统输出高压电源幅值和频率非常稳定，避免频率变化和波形畸变对阻容性分压器的测量读数产生影响。整个检测和校准过程全自动，可以避免手动调压或者机械调压过程产生人为操作失误。实际应用表明设备校准过程的准确性，降低校准结果的不确定度。