鉗形電流表溯源校準(zhǔn)技術(shù)的研究

摘要：文中旨在分析研究鉗形電流表的溯源校準(zhǔn)技術(shù)，詳細闡述了鉗形電流表的工作原理與類型，并通過對測量誤差的分析，總結(jié)得出鉗形電流表的系統(tǒng)誤差與檢測線圈和載流導(dǎo)線的關(guān)系，并對多匝等效安匝法和單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法兩種典型校準(zhǔn)方法進行對比分析，總結(jié)得出兩種方法的特點和適用性，有利于提升鉗形電流表的溯源校準(zhǔn)技術(shù)，并為實際校準(zhǔn)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：鉗形電流表；校準(zhǔn)；磁通密度；多匝等效安匝法；單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法；電流輸出環(huán)

Abstract： The purpose of this paper is to analyze and study the traceability calibration technology of the clamp ammeter. The working principle and types of the clamp ammeter are described in detail. Through the analysis of the measurement error， the system error of the clamp ammeter and the difference between the detection coil and the current-carrying wire are summarized. The comparison and analysis of two typical calibration methods， the multi-turn equivalent ampere-turn method and the single-turn standard current method， are carried out. The characteristics and applicability of the two methods are analzed， which is conducive to improving the traceability calibration technology of the clamp ammeter， and provides reference for the actual calibration work.

Key Words： Clamp ammeter; Calibration; Flux density; Multi-turn equivalent ampere-turn method; Single-turn standard current method; Current output loop.

0前言

鉗形電流表是電工的必備工具之一，因其不必串連進線路即可進行帶電運行線路的電流測量，既安全又便利，被廣泛應(yīng)用在電力檢修、工業(yè)檢測等各類電流測量場景[1]。鉗形電流表是由電流互感器和電流表組合而成[2]。鉗形電流表具有機械開合的鉗口，其作為電工工具，具有較高的使用頻率。在較為惡劣的使用環(huán)境下，鉗形電流表的準(zhǔn)確性可能會發(fā)生變化。因此，為了確保鉗形電流表的計量性能良好，文中將對鉗形電流表的典型校準(zhǔn)方法作討論分析，有利于此類儀表在計量性能方面的提升。

1 工作原理與類型

1.1工作原理

鉗形電流表是利用電磁原理將開合的磁路套在載流導(dǎo)體上測量其電流值的儀表，測量時無需斷開回路即可得到被測電路的電流值[3]。其工作原理為通過畢奧薩伐爾定律確定載流導(dǎo)線周圍磁感應(yīng)強度，從而換算得到相應(yīng)比例的電流值[4]。假設(shè)無限長載流導(dǎo)體的電流為，則距離載流導(dǎo)體為的A點產(chǎn)生的磁通密度可根據(jù)式（1）計算：

上式中：為A點的磁通密度；為真空中的磁導(dǎo)率（常數(shù)值為4π×10-7H/m）；為A點的磁場強度；為流過載流導(dǎo)線的電流；為A點到載流導(dǎo)線中心的垂直距離。模型示意圖如圖1所示。

由式（1）可知，載流導(dǎo)線周圍特定位置的磁通密度與電流值大小成正比，與該位置和載流導(dǎo)線的距離成反比[5]。因此，可通過測量磁通密度間接測量電流值，測量時常將被測載流導(dǎo)線垂直穿過鉗形電流表鉗口幾何中心，如圖2所示。

1.2類型分類

鉗形電流表按照測量原理可分為互感式、霍爾效應(yīng)式和磁調(diào)制式[6]。由于其測量原理不同，互感式鉗形電流表只能測量交流電流；霍爾效應(yīng)式鉗形電流表能夠測量交流電流和直流電流，但是準(zhǔn)確度和線性度相對較差，響應(yīng)時間慢；磁調(diào)制式鉗形電流表也能夠測量交流電流和直流電流，并且準(zhǔn)確度和線性度較好，響應(yīng)時間快。

2 測量誤差分析

鉗形電流表的工作原理是通過檢測磁場來間接測量電流，最理想的校準(zhǔn)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)電流源對一根無限長的導(dǎo)線施加測試電流，并使該導(dǎo)線垂直穿過被校鉗形表的幾何中心[7]。但實際工作中，導(dǎo)線不可能無限長，會產(chǎn)生一定的測量誤差。

上式中：0為圖3中a）的P點磁通密度； x為圖3中b）的P點磁通密度；為真空中的磁導(dǎo)率（常數(shù)值為4π×10-7H/m）；為流過載流導(dǎo)線的電流；為P點到載流導(dǎo)線中心的垂直距離；為P點和載流導(dǎo)線端點的連線與載流導(dǎo)線的夾角。

鉗形電流表所測量的電流值與其所檢測到的磁通密度成正比，因此測量有限長載流導(dǎo)線產(chǎn)生的系統(tǒng)相對誤差（%）可以根據(jù)式（4）計算：

實際測量中，鉗形電流表測量有限長導(dǎo)線電流會產(chǎn)生誤差，選取不同的鉗形電流表檢測線圈直徑D和載流導(dǎo)線長度L，得到不同取值D和L下的誤差（%）如圖4所示。

由圖4數(shù)據(jù)可知，鉗形電流表檢測線圈直徑D越大，測量所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差越大；鉗形電流表檢測線圈直徑D固定時，鉗形電流輸出環(huán)的載流導(dǎo)線長度L越大，系統(tǒng)誤差越小。

3典型校準(zhǔn)方法及對比分析

根據(jù)鉗形電流表類型和規(guī)格的不同，通常采用不同的測量方法來進行量值校準(zhǔn)，常見的方法有多匝等效安匝法和單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法。

3.1多匝等效安匝法

鉗形電流表校準(zhǔn)需要高精度的標(biāo)準(zhǔn)大電流源作為原邊電流，但千安級的高精度交直流大電流源設(shè)計制造難度大，成本較高，因此通常使用多匝等效安匝法進行校準(zhǔn)。

多匝等效安匝法，即將數(shù)十安培的標(biāo)準(zhǔn)電流源通過多匝線圈，并穿過被校鉗形表鉗口進行校準(zhǔn)，此時鉗形電流表檢測到的電流為多匝等效安匝電流=標(biāo)準(zhǔn)電流源電流×線圈匝數(shù)。典型多匝等效安匝法鉗形電流輸出環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示，多匝等效安匝法鉗形電流表校準(zhǔn)示意圖如圖6所示。

其中，w/2代表C0柱與C1柱、C2柱的中心線距離，h代表鉗形電流輸出環(huán)載流導(dǎo)體中心線的高度。在繞制過程中，匝與匝之間應(yīng)保持良好的絕緣，整個鉗形電流輸出環(huán)制作應(yīng)盡量保持中心對稱。同時應(yīng)當(dāng)注意線圈匝數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)源負(fù)荷功率的關(guān)系，避免匝數(shù)過多致使阻抗過大，從而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)源過載對測量結(jié)果造成影響。

3.2單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法

單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法是一種將千安級大電流通過單匝標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)穿過鉗形電流表的鉗口，從而對鉗形電流表進行校準(zhǔn)的方法。典型單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法鉗形電流輸出環(huán)結(jié)構(gòu)如圖7所示。單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法鉗形電流表校準(zhǔn)示意圖如圖8所示。

其中，電流輸出環(huán)保持A-A′成軸對稱，且直徑不小于1m，與電流源端子應(yīng)保持可靠牢固的連接并接觸良好。持續(xù)大電流工作時，其溫升應(yīng)不超過20℃。單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法的銅環(huán)方便拆卸，便于使用高等級的穿心電流互感器或直流比較儀對裝置進行交直流電流的測量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時高等級溯源裝置其不確定度應(yīng)不大于校準(zhǔn)裝置允許誤差絕對值的1/4，且鐵心的幾何中心應(yīng)置于鉗形表鉗口放置處。

3.3校準(zhǔn)方法對比分析

多匝等效安匝法因易受漏電流、線圈形狀、外磁場等因素影響，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度較低，且匝數(shù)增加時，電感呈平方關(guān)系快速增加，對校準(zhǔn)源帶感性負(fù)載能力的要求較高，但是其制造難度小，生產(chǎn)成本低，適用于低精度鉗形電流表的校準(zhǔn)，并且因其結(jié)構(gòu)特點，此方法不適合中、高頻率鉗形電流表的校準(zhǔn)。而單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法雖然制造難度和成本較高，但是其具備較高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，并且受外磁場干擾的影響較小，對高準(zhǔn)確度等級鉗形電流表的測量較為準(zhǔn)確和可靠，因此單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法目前是校準(zhǔn)鉗形電流表的主要方法，單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法和多匝等效安匝法的特點對比如表1所示。

4結(jié)論

文中詳細闡述了鉗形電流表的工作原理和類型，并進行了測量誤差分析，得出了以下結(jié)論：鉗形電流表檢測線圈直徑越小，鉗形電流輸出環(huán)的載流導(dǎo)線長度越大，系統(tǒng)誤差越小。再對兩種典型校準(zhǔn)方法進行了對比分析，結(jié)合原理分析和實際經(jīng)驗，得出了以下結(jié)論：單匝標(biāo)準(zhǔn)電流法比多匝等效安匝法具備更為突出的優(yōu)勢，更適合用于全類型的鉗形電流表溯源校準(zhǔn)。

參考文獻

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