負(fù)荷箱校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法

江鵬 宋均正 謝文 劉劍 / 廣東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

電流、電壓互感器負(fù)荷箱用于模擬互感器檢定線路中被檢互感器二次側(cè)外接負(fù)荷，依據(jù)JJF 1264-2010《互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)規(guī)范》需滿足準(zhǔn)確度3級(jí)的要求，若其達(dá)不到技術(shù)要求，將影響互感器測(cè)量誤差的準(zhǔn)確性[1][2]。因此，互感器負(fù)荷箱需定期校準(zhǔn)以保證量值的準(zhǔn)確性。目前，國(guó)內(nèi)許多計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)建立了用于互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置。互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱裝置），是專門用于校準(zhǔn)互感器負(fù)荷箱的設(shè)備，需定期校準(zhǔn)來(lái)保證量值溯源的準(zhǔn)確與統(tǒng)一。目前，沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)規(guī)范正式發(fā)布，校準(zhǔn)方法也不統(tǒng)一，包括標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷法與模擬負(fù)荷法。

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷法是將標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感以及電容按一定方式組合成標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，電阻用于模擬負(fù)荷同相分量，電感和電容模擬負(fù)荷正交分量。該方法存在以下不足：標(biāo)準(zhǔn)電阻額定功率小，允許通過(guò)的電流小，與被檢儀器實(shí)際工作狀態(tài)不符，且校準(zhǔn)方法復(fù)雜；另外，工頻下電阻存在寄生電感及雜散電容無(wú)功分量，在不同電流或電壓條件下會(huì)發(fā)生變化，數(shù)值難以確定；同樣，電感或電容有功分量也會(huì)隨著電壓或電流變化而難以確定。

模擬負(fù)荷法通過(guò)控制輸入到裝置的電壓與電流大小及相位來(lái)模擬不同負(fù)荷值。工頻比率電源與標(biāo)準(zhǔn)功率源可以控制輸出電壓與電流信號(hào)的大小以及相位角，并輸出模擬負(fù)荷值，該方法操作簡(jiǎn)單，使用方便。本文分析了裝置的工作原理，在此基礎(chǔ)上分別介紹了用工頻比率電源和標(biāo)準(zhǔn)功率源來(lái)校準(zhǔn)裝置的步驟與方法。

1 基本原理

電流、電壓互感器負(fù)荷箱大多采用電阻與電感元件串聯(lián)或并聯(lián)組合的方式來(lái)得到相應(yīng)的負(fù)荷值[3]，包括正交分量與同相分量。對(duì)于電流負(fù)荷，同相分量指電阻分量，正交分量指電抗分量。相應(yīng)的，電壓負(fù)荷的同相分量指電導(dǎo)分量，正交分量指電納分量。

典型裝置結(jié)構(gòu)通常包括輸出信號(hào)端和采集信號(hào)端，還有專門用于校準(zhǔn)阻抗測(cè)量回路和用于校準(zhǔn)導(dǎo)納測(cè)量回路的校準(zhǔn)端子。

依據(jù)裝置工作原理，如果在阻抗測(cè)量回路中輸入?yún)⒖茧娏饕约跋鄬?duì)參考電流相位和大小均可調(diào)節(jié)的差值電壓信號(hào)，組成模擬電流負(fù)荷，就可以校準(zhǔn)阻抗測(cè)量回路。同理，導(dǎo)納測(cè)量回路輸入?yún)⒖茧妷阂约跋鄬?duì)參考電壓相位和大小均可調(diào)節(jié)的差值電流信號(hào)，組成模擬電壓負(fù)荷，可校準(zhǔn)導(dǎo)納測(cè)量回路。

裝置輸出一個(gè)穩(wěn)定的電流信號(hào)到電流互感器負(fù)荷箱，通過(guò)采集阻抗測(cè)量回路兩端的差值電壓信號(hào)和兩者之間相位，由式（1）計(jì)算電阻分量與電抗分量。

式中：Z——電流負(fù)荷；

ΔU——差值電壓信號(hào)；

I——電流信號(hào)；

R——電阻分量；

X——電抗分量

同理，為了測(cè)量電壓負(fù)荷值，可以使裝置輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓信號(hào)到電壓互感器負(fù)荷箱，通過(guò)采集導(dǎo)納測(cè)量回路的差值電流信號(hào)與兩者之間相位，由式（2）計(jì)算出電導(dǎo)分量與電納分量。

式中：Y——電壓負(fù)荷；

ΔI——差值電流信號(hào)；

U——電壓信號(hào)；

G——電導(dǎo)分量；

B——電納分量

2 工頻比率電源校準(zhǔn)法

工頻比率電源是計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)以及各種科研院所互感器實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備，主要用于檢定互感器校驗(yàn)儀。工頻比率電源有參考電壓、參考電流以及差值電壓和差值電流4個(gè)接線端子，還有調(diào)節(jié)同相分量與正交分量的旋鈕，可以實(shí)現(xiàn)差值信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)比例關(guān)系和相位關(guān)系的變化，其準(zhǔn)確度等級(jí)可達(dá)0.2級(jí)。參考信號(hào)與差值信號(hào)通常有以下幾種組合關(guān)系：調(diào)節(jié)差值電流與參考電流或差值電壓與參考電壓比例關(guān)系可以檢定互感器校驗(yàn)儀誤差測(cè)量回路[4][5]。用于校準(zhǔn)裝置時(shí)，調(diào)節(jié)差值電壓與參考電流比例關(guān)系可以校準(zhǔn)裝置阻抗測(cè)量回路；調(diào)節(jié)差值電流與參考電壓比例關(guān)系可以校準(zhǔn)導(dǎo)納測(cè)量回路，測(cè)量線路如圖1、圖2所示。工頻比率電源的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，根據(jù)JJG 169-2010《互感器校驗(yàn)儀》檢定規(guī)程，可以校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)及以下的裝置。對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)0.2級(jí)及以上級(jí)別的裝置，需用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)法。

圖1 工頻比率電源校準(zhǔn)裝置阻抗測(cè)量線路

圖2 工頻比率電源校準(zhǔn)裝置導(dǎo)納測(cè)量線路

3 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)法

標(biāo)準(zhǔn)功率源常用于數(shù)字多用表、指針表以及功率表等相關(guān)儀表的校準(zhǔn)。功率源具有電壓輸出端子和電流輸出端子，輸出信號(hào)大小以及相互之間的相位可以調(diào)節(jié)。電壓信號(hào)、電流信號(hào)可用于儀表電壓、電流的校準(zhǔn)。調(diào)節(jié)電壓、電流信號(hào)以及兩者之間的相位，可校準(zhǔn)功率表功率的有功分量、無(wú)功分量。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的電壓信號(hào)U、電流信號(hào)I和相位角θ可組成模擬負(fù)荷。阻抗中電阻分量R可用式（3）表示，電抗分量X可用式（4）表示，導(dǎo)納中電導(dǎo)分量G用式（5）表示，電納分量B用式（6）表示。

式中：R——電阻分量；

X——電抗分量；

G——電導(dǎo)分量；

B——電納分量；

U——電壓信號(hào)；

I——電流信號(hào)；

θ——相位角

根據(jù)以上分析可知，向裝置阻抗（或?qū)Ъ{）測(cè)量回路參考電流（或參考電壓）端子輸入電流信號(hào)（或電壓信號(hào)），向差值電壓端子（或電流端子）輸入電壓信號(hào)（或電流信號(hào)），可實(shí)現(xiàn)阻抗（導(dǎo)納）測(cè)量回路的校準(zhǔn)。當(dāng)θ= 0 rad時(shí)，調(diào)節(jié)電壓信號(hào)與電流信號(hào)的比值，可以得到電阻分量不同，電抗分量為0 Ω的系列模擬電阻值。記錄被檢儀器示值，可以得到電阻、電抗分量示值誤差。同理，當(dāng)θ= π/2 rad時(shí)，可以得到電抗分量不同，電阻分量為0 Ω的系列模擬電抗值。當(dāng)θ介于0 rad到π/2 rad時(shí)，依據(jù)式（3）（4）計(jì)算電阻分量與電抗分量。導(dǎo)納校準(zhǔn)方法同理。標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置阻抗、導(dǎo)納的測(cè)量線路如圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置阻抗測(cè)量線路

圖4 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置導(dǎo)納測(cè)量線路

標(biāo)準(zhǔn)功率源是電學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的設(shè)備，輸出的電壓、電流和相位角都可以溯源到計(jì)量基準(zhǔn)。使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)裝置的校準(zhǔn)。

4 校準(zhǔn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為ZJ-B1型工頻比率電源和6105A型標(biāo)準(zhǔn)功率源，其中工頻比率電源準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出電壓、電流準(zhǔn)確度為±0.006%，輸出功率準(zhǔn)確度為±0.01%，相位誤差為±0.003°。被檢裝置為YZ-SW1型負(fù)荷箱校準(zhǔn)裝置，標(biāo)稱準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)。用兩種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 ZJ-B1型工頻比率電源校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)

從表1、表2可以看出，用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置時(shí)的校準(zhǔn)誤差明顯小于工頻比率電源校準(zhǔn)誤差。尤其當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)值同相分量或正交分量置于0時(shí)，無(wú)論是阻抗測(cè)量回路還是導(dǎo)納測(cè)量回路，標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)時(shí)該項(xiàng)的誤差明顯減小。由于標(biāo)準(zhǔn)功率源準(zhǔn)確度更高，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)方法。

表2 6105A型標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于工頻比率電源和標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置的兩種方法。對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)及以下的裝置，可用工頻比率電源校準(zhǔn)。準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)及以上的裝置，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)。相比工頻比率電源，標(biāo)準(zhǔn)功率源具有更高準(zhǔn)確度，操作也更為方便，溯源也更易實(shí)現(xiàn)。