全自動電流比較儀仿真負荷調零箱設計研究

郝斌 閆憲峰

引言

隨著全球一體化經濟的快速發(fā)展和我國科技自主創(chuàng)新的不斷深入，高精度計量和數字化量測技術在我國國民經濟中的地位日益顯著。工頻電流比例值的精準、有效，對于智能電網、新能源、航天航空的高精度計量有重要意義。零磁通電流互感器、電流比較儀的準確度取決于主互感器或主鐵芯達到零磁通的程度以及磁性誤差和容性誤差[1]244。

電流比較儀仿真負荷調零箱是通過調節(jié)仿真負荷輸出，使零磁通電流互感器、電流比較儀在使用時工作磁通無限接近零磁通的裝置。傳統(tǒng)的電壓源仿真負荷調零箱采用人工手動操作存在以下弊端：1.采用外附指針式指零儀與負荷調零箱組合使用，十分笨重，不方便攜帶；2.手動操作完全依賴人眼識別檢流儀是否到達零位，測試精確度低；3.正交分量存在移相不到位的情況，有一定的調零死角；4.測試過程需要多人同時操作調壓器和調零箱的撥盤，調壓器從1%電壓量程緩慢上升到20%電壓量程的過程中，需同時調節(jié)調零箱使檢流儀指零，費時費力、測試效率低；5.不支持指零儀與負荷調零箱協(xié)調反饋控制，不能自動調零。

一、全自動電流比較儀仿真負荷調零箱的基本原理

如圖1所示，本裝置包括CPU控制單元、感應分壓單元、通信單元、顯示單元，內附數字指零單元及檢測線圈。CPU控制單元通過采集A/D轉換后的電壓數字信號，控制感應分壓單元，調節(jié)同相分量和正交分量的大小，改變輸出的仿真負荷，使得其近似于零磁通電流互感器、電流比較儀補償繞組的等值負荷阻抗，此時檢測繞組電流小于0.1nA，再由內附數字指零單元反饋至CPU控制單元。

圖1 全自動電流比較儀仿真負荷調零箱的基本原理圖

CPU控制單元采用STM32芯片控制，通過modbus通訊協(xié)議與通信單元進行實時數據信號的傳輸，可隨時配合電流比較儀與校驗儀整體檢定系統(tǒng)測試。顯示單元采用OLED屏顯示，可實時監(jiān)視檢測繞組電流的大小，以及仿真負荷測試結果。

二、感應分壓單元的設計

感應分壓單元由感應分壓器TA、感應分壓器Ta、移相器組成，感應分壓器TA收到CPU的調節(jié)指令后，通過五盤感應分壓把初級線圈的電壓轉換至次級線圈作為同相電壓輸入工作回路；同理，采用移相器使電壓相位調節(jié)至不同角度后，作為正交分量通過感應分壓器Ta輸入工作回路，如圖2所示。

圖中，感應分壓器TA包括比例繞組A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10和E0-E10五盤，各盤的匝數相應為前一盤匝數的1/10；感應分壓器Ta包括a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10和e0-e10五盤，各盤的匝數與感應分壓器TA各盤的匝數依次相同。移相器采用電容C、電阻R串聯(lián)結構，并入裝置的輸入端，同時，電阻R接入線圈作為感應分壓器Ta的初級線圈，此外，電容C容量為10～40μF，電阻R的阻值為2～15Ω。端鈕100V、X為仿真負荷調零箱的工作電壓輸入端，即此端鈕與穩(wěn)壓源電壓相接，端鈕Bd、D為仿真負荷調零箱的輸出端，串聯(lián)接入電流比較儀補償繞組回路，BD端鈕接補償繞組的非極性端，D端鈕接地。

由于電流比較儀、零磁通電流互感器補償繞組的等值負荷阻抗的數量級從10-3～10-1Ω，采用上述設計，把仿真負荷調零箱的輸出電勢分為5檔微小電壓，即：（1～9）＊500mV，（1～9）＊50mV，（1～9）＊5mV，（1～9）＊0.5mV，（1～9）＊0.05mV，則調零箱的最小可調節(jié)電壓為0.05mV，其仿真負荷輸出可調范圍為1＊10-5Ω～9＊10-1Ω，完全滿足電流比較儀、零磁通電流互感器零磁通調節(jié)需求。

三、內附數字指令單元設計

內附數字指令單元可實時采集檢測繞組的電流信號，并把此電流信號作為基準信號，通過隔離取樣、放大、濾波轉化為基準電壓輸送給A/D轉換器，A/D轉換器根據基準電壓的頻率和電壓幅值匹配合適的控制數字量，得到可調電壓數字信號反饋給CPU控制單元。

本單元采用同向放大器，由于同向增益放大器相比反向增益放大器具有更高的輸入阻抗，因此在高精度電壓測量電路中一般多使用同向增益放大器[2]。設計中的同相放大器使用ADG409模擬開關控制運放的增益，該電路具有響應速度快，線性度好的特點，而且不受模擬開關導通電阻的影響。

四、全自動電流比較儀仿真負荷調零箱的檢測方法

第一步，上位機通過通信單元下發(fā)測試調零任務，穩(wěn)壓源自動升壓至20%電壓量程，調零箱開始全自動測試。

日子就這樣一年一年過去，我也有了兒子，每當我也想用我的思想左右兒子，就會突然想到小時候跟母親的交惡，于是我就開始說服自己，對兒子的態(tài)度就會溫婉一些?？墒窃僭趺礃涌酥?，也會有失控的情況，失控完我又會很傷心。

第二步，當測試開始時檢測繞組中的電流大于50000nA或低于5nA，則發(fā)出報警。

第三步，調零箱分別進行同相分量和正交分量的極性判斷，首先進行同相分量極性判斷，控制感應分壓器TA第一盤A1閉合，變換同相極性檔位，當檢測繞組電流減小，則認為此時為同相分量正確的極性；同理，接著進行正交分量的極性判斷，控制感應分壓器Ta第一盤a1閉合，變換正交極性檔位，當檢測繞組電流減小，則認為此時為正交分量正確的極性。

如：判斷極性時，控制感應分壓器TA第一盤A1閉合，變換極性檔位為負，檢測繞組電流減小，則認為同相極性為負極性，接著控制感應分壓器Ta第一盤a1閉合，變換極性檔位為正，檢測繞組電流減小，則認為正交極性為正極性。

第四步，判斷調零箱同相分量和正交分量的起始盤，依次閉合感應分壓器TA第一盤至第五盤的A1、B1、C1、D1、E1，當檢測繞組電流減小，則此盤為同相分量起始盤。同理，確定正交分量的起始盤，依次閉合感應分壓器Ta第一盤至第五盤的a1、b1、c1、d1、e1，當檢測繞組電流減小，則此盤為正交分量起始盤。

如：當控制感應分壓器TA第一盤A1閉合，檢測繞組電流變大，則A1復位，閉合B1，當檢測繞組電流減小，則認為B0-B10盤為同相分量起始盤，當控制感應分壓器Ta第一盤a1閉合，檢測繞組電流減小，則認為a0-a10盤為正交分量起始盤。

第五步，全盤判斷時，感應分壓器TA的五盤比例繞組按照優(yōu)先級從高到低A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10至E0-E10排列，感應分壓器Ta的五盤比例繞組同理按照優(yōu)先級從高到低a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10至e0-e10排列。選擇同相分量和正交分量起始盤中優(yōu)先級最高盤作為判斷開始，按照同相分量和正交分量同等優(yōu)先級規(guī)則，各盤輪流依次循環(huán)判斷，選定每盤檢測繞組電流最小的檔位，直至全部判斷完成輸出仿真負荷。

如：當同相分量起始盤為B0-B10盤，正交分量起始盤為a0-a10盤，則從a0-a10盤開始進行增量判斷，若a7時電流最小，則該檔位置于a7，再對B0-B10盤進行增量判斷，若B2時電流最小，則該檔位置于B2，接著按照相同的方法依次判斷b0-b10、C0-C10、c0-c10、D0-D10、d0-d10、E0-E10和e0-e10直至全部判斷完成。

第六步，測試過程中，測試狀態(tài)和檢測繞組的電流通過通信單元實時反饋至上位機。

第七步，檢測結束，調零箱通過通信單元發(fā)送仿真負荷輸出值及調零結束信號至上位機，上位機將結果數據保存。

五、試驗結果

電流比例標準的校準和溯源，需要數臺補償式電流比較儀組合，通過自校、互較、加法、乘法和除法等檢定線路進行校準，其大多數線路都需要仿真負荷調零箱調節(jié)補償繞組的壓降，使電流比較儀在工作時接近于零磁通，如圖3為電流比較儀的加法線路，在標準輔助電流互感器Toa的差流回路中串聯(lián)仿真負荷調零箱，以此來抵消To二次回路中所有負荷。

圖3 電流比較儀加法線路

分別采用傳統(tǒng)仿真負荷調零箱與全自動電流比較儀仿真負荷調零箱串入檢定線路進行測試，測試結果如表1所示。

在電流比較儀加法線路中，標準To的二次負荷為被檢Tx的一次繞組的電阻壓降，其等值電阻的數量級為10-1Ω[1]271，仿真負荷調零箱需輸出相應的仿真負荷即可調節(jié)，測試時其工作電流為20%額定電流1A，由上表可知，本裝置與傳統(tǒng)調零箱測試結果的最大差值為0.06mV，折算至仿真負荷為0.06mΩ，比0.1Ω小約4個數量級，可以忽略不計，同時測試一組數據的時間從6分鐘降低至30秒，極大提高了工作效率。

結語

本裝置解決了傳統(tǒng)的仿真負荷調零箱人為干預較多，操作不靈活及調零死角的問題，且操作簡單，一鍵式調節(jié)，實現(xiàn)了自主跟隨、仿真負荷線性輸出，負反饋智能控制，提高了工作效率。