精密工頻電流-電壓比例變換器的設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)方法研究

李 波 賀艷平 曹 敏 葉小雪 胡萬層 鄒至剛

（1.云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司，云南 昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217；3.廣州市格寧電氣有限公司，廣東 廣州 510500）

精密工頻電流-電壓比例變換器的設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)方法研究

李 波1，2， 賀艷平3， 曹 敏1，2， 葉小雪3， 胡萬層1，2， 鄒至剛3

（1.云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司，云南 昆明 650217；2.中國南方電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217；3.廣州市格寧電氣有限公司，廣東 廣州 510500）

針對(duì)高精度、小量程的電流相關(guān)測量方法有限這一難題，根據(jù)有源阻抗的矢量電壓合成消除互感器測量誤差的方法設(shè)計(jì)一種精密工頻電流-電壓比例變換器。該變換器采用3只感應(yīng)式比例單元實(shí)現(xiàn)范圍較大的電流比例變換；采用雙級(jí)電流互感器解決勵(lì)磁電流引起的誤差，減小電流的測試誤差；其校準(zhǔn)方法采用基于雙通道電壓比較儀和有源阻抗變換技術(shù)的溯源提高測試精度。通過實(shí)驗(yàn)證明該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)10-6量級(jí)的電流-電壓比例變換，其校準(zhǔn)方法誤差優(yōu)于2×10-6，可測量最小2mA的電流。

小量程電流；電流-電壓比例變換器；感應(yīng)比例標(biāo)準(zhǔn)；校準(zhǔn)方法；溯源；工頻

0 引 言

電流測量的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到電壓、功率、電能測量的準(zhǔn)確度。在測量電流時(shí)，往往采用間接測量方式[1]，即測量被測電流在標(biāo)準(zhǔn)電阻分流器上所產(chǎn)生的電壓降。實(shí)踐表明，間接測量方法存在以下兩個(gè)問題：1）需要設(shè)計(jì)功率和阻值不同的多種分流器，以擴(kuò)展電流測量范圍并減少電阻的負(fù)載效應(yīng)所引起的誤差；2）很難滿足在測量大電流時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻分流器的功率需求[2-3]。

感應(yīng)式比例單元采用雙級(jí)電流互感器，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、抗干擾能力強(qiáng)、電流變換準(zhǔn)確、測量范圍寬等特點(diǎn)，為交流電流的寬范圍精確測量提供了必要條件[4-6]；I/U變換單元[7]采用基于“通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測量誤差的方法”的電流/電壓精確比例轉(zhuǎn)換原理，為交流電流的測量溯源于電流比例、電壓比例和交流電阻提供了必要的條件。其于此，本文提出了由感應(yīng)式比例單元和I/U變換單元構(gòu)成的高精度、寬量限變換器設(shè)計(jì)方案及校準(zhǔn)方法。

1 變換器的組成及主要部件

1.1 變換器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，變換器的感應(yīng)式比例單元由3只雙級(jí)電流互感器構(gòu)成，變換器的I/U變換單元由3只I/U轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

3只感應(yīng)式比例單元，分別采用了2安匝/0.8mA、20安匝/8mA、200安匝/80mA雙級(jí)電流互感器。I/U變換單元采用了0.8mA/4V、8mA/4V、80mA/4V I/U轉(zhuǎn)換器。變換器誤差由雙級(jí)電流互感器的比值誤差和I/U轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差之和構(gòu)成。

3只雙級(jí)電流互感器一次均設(shè)有多輸入量限，而相鄰的雙級(jí)互感器均設(shè)有部分重疊（相同）的量限。通過3只雙級(jí)電流互感器的組合，可實(shí)現(xiàn)2mA～100A范圍的電流比例變換。

雙級(jí)電流互感器在校準(zhǔn)過程中，每一檔位比例誤差用電流比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)[8]，相鄰雙級(jí)電流互感器相同量限的比例誤差采用“Step-up”方法[4]進(jìn)行校準(zhǔn)，不同量限的誤差通過遞推方法校準(zhǔn)。

1.2 雙級(jí)電流互感器設(shè)計(jì)

電流互感器的誤差來自于勵(lì)磁電流。雙級(jí)電流互感器較好地解決了勵(lì)磁電流引起的誤差問題[9]，因而具有比普通電流互感器更高的準(zhǔn)確度。

雙級(jí)電流互感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由兩級(jí)電流互感器組成的特殊電流互感器，其中第一級(jí)電流互感器與一般的電流互感器相同，而第二級(jí)電流互感器是將第一級(jí)互感器的勵(lì)磁安匝0N2作為第二級(jí)互感器的一次安匝，第二級(jí)互感器的二次安匝為B2NB，勵(lì)磁安匝為0BN1。雙級(jí)電流互感器的誤差是由第二級(jí)互感器鐵芯的勵(lì)磁安匝所決定，且為第一級(jí)和第二級(jí)互感器誤差乘積的負(fù)值，也等于兩個(gè)互感器二次總阻抗的乘積與勵(lì)磁阻抗乘積比值的負(fù)值。

圖1 電流-電壓比例變換器的結(jié)構(gòu)

圖2 雙級(jí)電流互感器原理示意圖

根據(jù)本變換器的準(zhǔn)確度需求，設(shè)計(jì)并研制了誤差優(yōu)于5×10-6的雙級(jí)電流互感器，用于電流-電流比例變換。

1.3 I/U變換單元設(shè)計(jì)

基于“通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測量誤差的方法”設(shè)計(jì)的I/U變換單元，將雙級(jí)電流互感器的2次輸出電流80mA（或8，0.8mA）均轉(zhuǎn)換成4V電壓。

I/U變換單元的電路原理如圖3所示，可知，I/U變換單元將雙級(jí)電流互感器二次比例繞組及檢測繞組的電流分別轉(zhuǎn)換為電壓，并進(jìn)行線性放大后輸入到加法運(yùn)算放大器，完成通過有源阻抗的電壓矢量的合成，消除雙級(jí)電流互感器的測量誤差。

圖3 電流-電壓（I/U）變換單元原理圖

基于有源阻抗的電壓矢量合成電路原理如圖4所示。比例繞組電流經(jīng)W2兩端并聯(lián)的轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸出到運(yùn)算放大器IC1的同相輸入端，IC1的輸出電壓接到加法運(yùn)算放大器IC4的反相輸入端；檢測繞組電流經(jīng)W3兩端，直接輸入到運(yùn)算放大器IC2的同、反相輸入端，檢出激磁電流，經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出到運(yùn)算放大器IC3的反相輸入端；IC3輸出電壓到加法運(yùn)算放大器IC4的反相輸入端；上述兩路電壓信號(hào)在加法運(yùn)算放大器IC4進(jìn)行求和，完成電壓矢量的合成。

圖4 通過有源阻抗的矢量電壓合成來消除互感器測量誤差的方法

該方法的優(yōu)點(diǎn)有：

1）檢測繞組以小磁通設(shè)計(jì)代替常用的零磁通設(shè)計(jì)，直接、獨(dú)立測量檢測繞組電流，避開了鐵芯的起始導(dǎo)磁率的影響,克服了磁滯現(xiàn)象。

2）用電壓矢量合成方法替代電子負(fù)反饋方法，取消了補(bǔ)償繞組，從而消除了直流問題、漂移問題、相位不穩(wěn)定問題及補(bǔ)償繞阻的反射阻抗問題。

3）容易實(shí)現(xiàn)檢測繞組的二次負(fù)載-電子電路等效阻抗為零，使得互感器的合成誤差在大量程范圍內(nèi)具有很好的線性度，使檢測繞組鐵芯始終處于線性范圍內(nèi)。

4）雙級(jí)電流互感器二次采樣電阻，選用低漂移精密金屬箔電阻，并使其工作在小電流低功耗狀態(tài)，幾乎可以忽略負(fù)載效應(yīng)，以滿足I/U變換器的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性指標(biāo)。

2 變換器的校準(zhǔn)方法

變換器的校準(zhǔn)過程分兩步進(jìn)行：

首先，以電流比較儀為參考，采用校驗(yàn)互感器的通用方法[10]，對(duì)變換器中的雙級(jí)電流互感器進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得其各檔位的比差和角差。

其次，對(duì)變換器整體進(jìn)行測試，以確定I/U變換器的電流-電壓變換誤差。

2.1 變換器整體的校準(zhǔn)原理

1）將一工頻交流電壓同時(shí)加于電壓比例標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)電阻；電壓比例標(biāo)準(zhǔn)將輸出參考電壓UC（AC 4V）；流過標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流經(jīng)變換器將輸出電壓UI（AC4V）。

2）把UC與UI同時(shí)輸入于雙通道電壓比較儀，就可以得到變換器在該檔位下的轉(zhuǎn)換誤差（該檔位雙級(jí)電流互感器誤差+I/U變換器誤差）。

3）由于雙級(jí)電流互感器各檔位誤差已知，因此可以確定I/U變換器的誤差。

4）根據(jù)雙級(jí)電流互感器的不同檔位誤差，可以推定各個(gè)檔位的變換器誤差。

5）通過雙級(jí)電流互感器重疊的量限設(shè)計(jì)及不同雙級(jí)電流互感器相同電流檔位的串聯(lián)并施加相同電流，可以比較兩組變換器的相對(duì)誤差。

6）通過重復(fù)3）～5）步驟，可以標(biāo)定所有變換器的誤差。

2.2 變換器整體的校準(zhǔn)過程與數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 校準(zhǔn)過程

變換器整體校準(zhǔn)是在完成雙通道比較儀通道一致性測試的基礎(chǔ)上，按照以下步驟進(jìn)行的，并通過計(jì)算得出幅值誤差和相位誤差。

1）確定使用的雙通道比較儀兩通道一致性幅值誤差和相位誤差：測試原理電路如圖5所示，通過比較儀兩通道的電壓測量值和相位測量值可獲得以A通道為參考的通道一致性幅值誤差E1與相位差D1。

圖5 雙通道比較儀通道一致性測試

2）確定（20AT+8 mA/4V）的0.02A相對(duì)電壓比例和10 k標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差，測試原理電路見圖6。通過雙通道比較儀對(duì)同一200V AC信號(hào)經(jīng)電壓比例和I/U變換后的兩4V信號(hào)的測量，獲得幅值誤差E2與相位差D2。

3）確定（200AT+80mA/4V)的0.2A相對(duì)（20AT+ 8mA/4V）的0.2 A誤差：測試原理電路見圖7，通過雙通道比較儀對(duì)同一200 mA信號(hào)經(jīng)兩個(gè)不同I/U變換后的4V信號(hào)的測量，獲得幅值誤差E3與相位差D3。

采用以上測試結(jié)果及雙級(jí)電流互感器的誤差，即可確定相應(yīng)I/U變換器的誤差。

圖6 確定（20AT+8mA/4V）變換器0.02A誤差

圖7 確定（200AT+8mA/4V）變換器0.2A誤差

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

式中：f1——參考用雙級(jí)電壓互感器200∶4比值誤差；

f2——參考用10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值誤差；

f3——有源補(bǔ)償器零位補(bǔ)償幅值誤差。

根據(jù)圖7，對(duì)于相同的0.02A的電流輸入，兩種不同變換輸出的4V信號(hào)在雙通道比較儀進(jìn)行比較，可得（200AT+80mA/4V）的0.2A相對(duì)（20AT+8mA/4V）的0.2A誤差：

從圖6和圖7可以看出，（200AT+80mA/4V）的0.2A相對(duì)電壓比例和10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差E0為

式中：f4——20AT雙級(jí)電流互感器0.02A比值誤差；

f5——20AT雙級(jí)電流互感器0.2A比值誤差。

將式（1）與式（2）代入式（3），并整理得：

6.1 生態(tài)監(jiān)測工作長期的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)缺乏保障。生態(tài)監(jiān)測是一項(xiàng)系統(tǒng)性長期性的工作，隨著重大生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施的結(jié)束，生態(tài)監(jiān)測運(yùn)行經(jīng)費(fèi)無法保障，監(jiān)測站點(diǎn)的運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)長期連續(xù)獲取將受到影響，年度監(jiān)測任務(wù)實(shí)施及監(jiān)測成果的質(zhì)控體系缺乏有效的制度保證，使生態(tài)監(jiān)測工作缺乏長效保障機(jī)制。

按照式（4）即可計(jì)算（200AT+80mA/4V）的0.2A相對(duì)電壓比例和10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差。

針對(duì)相位誤差方面，特別要考慮各部件相位誤差在雙通道比較儀相位讀數(shù)的符號(hào)，參照幅值誤差計(jì)算方法，可推出相位誤差計(jì)算公式為

式中：δ1——參考用雙級(jí)電壓互感器200∶4相位誤差；

δ2——參考用10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻相位誤差；

δ3——有源補(bǔ)償器相位誤差；

δ4——20AT雙級(jí)電流互感器0.02A相位誤差；

δ5——20AT雙級(jí)電流互感器0.2A相位誤差。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)變換器成果樣機(jī)的交流電流比例標(biāo)準(zhǔn)YCHL-4的3次測試結(jié)果如表1所示，把YCHL-4的200 AT電流互感器（0.2 A+80 mA/4 V）溯源到電壓比例和10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流比例變換誤差為-26.0×10-6。

表1 YCHL-4電流互感器（0.2A+80mA/4V)溯源測試誤差

以電流比較儀為標(biāo)準(zhǔn)，可確定YCHL-4的雙級(jí)電流互感器200AT各檔位的比值誤差，并計(jì)算出YCHL-4在5A的電流/電壓比例變換誤差如表2所示，可見變換誤差為-24.5×10-6。

表2 YCHL-4電流/電壓比例變換誤差5A檔

單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)的電流誤差，由雙通道比較儀YCXX-01B的電壓測量誤差和YCHL-4的5 A/4 V的誤差合成，各相關(guān)誤差項(xiàng)見表3。

表3 單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)電流誤差項(xiàng)

單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)測試多功能校準(zhǔn)儀YC-01B-012#數(shù)據(jù)見表4。單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)的電流誤差由雙通道比較儀YCXX-01B的電壓測量誤差和YCHL-4的電流/電壓比例變換誤差合成，按表3計(jì)算理論電流誤差為[（-24.5+25.3）+（-0.9）]×10-6=-0.1×10-6。

根據(jù)表4的測試數(shù)據(jù)，換算到相對(duì)NRC的單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)的電流誤差為-1.3×10-6。

兩者僅相差[-0.1-（-1.3）]×10-6=1.2×10-6，方法誤差優(yōu)于2×10-6。

表4 單相電學(xué)參量標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文介紹的變換器及校準(zhǔn)方法，將交流電流比例變化溯源到電流比較儀、電壓比例標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)電阻，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于2×10-6的比例變換校準(zhǔn)水平，并結(jié)合雙通道電壓比較儀實(shí)現(xiàn)了工頻電流15×10-6（k=2）的測量水平。

本文介紹的變換器及校準(zhǔn)方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國南方電網(wǎng)電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，用于對(duì)云南電網(wǎng)電參量準(zhǔn)確性保障和電參量相關(guān)測試技術(shù)研究，并取得了較好的應(yīng)用效果。

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Design and study on calibration method of precision power current-voltage ratio converter

LI Bo1，2，HE Yan-ping3，CAO Min1，2，YE Xiao-xue3，HU Wan-ceng1，2，ZOU Zhi-gang3
（1.Technology Company Branch of Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；2.The Energy Metering Key Laboratory of China Southern Power Grid，Kunming 650217，China；3.Guangzhou GENY Electric Co.，Ltd.，Guangzhou 510500，China）

Currently，the AC current measurement means，methods and instruments are more mature in the low rank of accuracy.However，for high-precision current measurement methods related to small-scale is limited，which is currently a major difficulty.Through synthesizing the voltage vector of active impedance to eliminate the measurement deviation of transformer，a kind of alternating current-voltage ratio converter（hereinafter referred to as the converter）is designed.The converter adopts three induction type proportioning unit to achieve wide current transformation.With double stage current transformer to solve the error problem caused by the excitation current，this reduces the measurement deviation of current.The test accuracy is improved by its calibration method based on the tracing of dual voltage comparatorand active impedance transformation technique.The experimental results show that the converter can realize the current voltage ratio of the order of 10-6. The method of calibration deviation is better than 2×10-6，and it can measure the minimum current 2mA.

small range of current；current-voltage ratio converter；induction ratio standard；method of calibration；traceability；power frequency

TM451；TM452；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0074-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.020

2014-06-11；

：2014-08-02

李 波（1982-），男，工程師，碩士，主要從事自動(dòng)化、智能計(jì)量相關(guān)工作。