一種用于電流互感器校驗(yàn)的新型電子式負(fù)載箱

潘寶祥，顧紅波

(1. 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇 南京210007;2. 南京丹迪克電力儀表有限公司，江蘇 南京210049)

0 引言

電流互感器是電能計(jì)量裝置內(nèi)的重要計(jì)量器具，國(guó)家將測(cè)量用電流互感器作為強(qiáng)制性檢定項(xiàng)目，需要根據(jù)JJG313 －2010 《測(cè)量用電流互感器》檢定規(guī)程對(duì)其檢定誤差［1］;根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司頒布的Q/GDW572 －2010 《計(jì)量用低壓電流互感器技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，需要對(duì)電力公司的每只計(jì)量用低壓電流互感器進(jìn)行誤差檢定。理論分析表明，電流互感器的誤差與其所接的負(fù)荷成正比［2］，因此在進(jìn)行誤差測(cè)試時(shí)必須帶相應(yīng)負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。互感器檢定裝置中主要采用電阻及電抗器模擬電流互感器的二次負(fù)載，通過單片機(jī)控制繼電器或者開關(guān)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的輸出;互感器校驗(yàn)裝置將互感器的誤差測(cè)量校驗(yàn)出來［3］。這種技術(shù)方案常會(huì)出現(xiàn)以下問題:繼電器或開關(guān)接觸電阻發(fā)生變化，電磁元件發(fā)生誤差變化;送檢合格率低，返修率偏高;檔位固定，無法升級(jí);測(cè)量特殊功率因數(shù)或負(fù)荷的互感器則無法實(shí)現(xiàn)［4］。由于原有電工式負(fù)載箱容量偏小，因此對(duì)低壓電流互感器磁飽和裕度試驗(yàn)也無法實(shí)現(xiàn)［5］。本文提出一種解決方案，檢定電流互感器采用電子源式電流負(fù)載箱，可以任意設(shè)置負(fù)載大小、功率因數(shù)，系統(tǒng)自身帶有負(fù)反饋檢測(cè)功能，可以保證二次負(fù)載的準(zhǔn)確度達(dá)到±3%以上，也可以實(shí)現(xiàn)電流互感器磁飽和裕度試驗(yàn)的要求。方案提高了互感器負(fù)載箱的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性，提高了其測(cè)試效率，降低了返修率。

1 理論依據(jù)

圖1 新技術(shù)與常規(guī)阻抗電路比較

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電流互感器電子式負(fù)載箱主要以ARM7 內(nèi)核的人機(jī)對(duì)話處理器以及DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)為核心的測(cè)控單元。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

工作流程介紹:儀器受上位機(jī)指令或人工錄入的方法設(shè)置互感器負(fù)載容量以及功率因數(shù);儀器將電流互感器的二次電流I·通過電阻R 進(jìn)行采集，同相放大和90°移相放大;DSP 將同相及正交相數(shù)字量信號(hào)輸出至D/A 轉(zhuǎn)換器;兩路D/A 輸出模擬量合成一個(gè)相位在0°～360°之間、幅度大小任意可調(diào)的工頻電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過功率放大電路輸入至隔離變壓器T;隔離變壓器輸出的電壓值通過DSP 數(shù)字信號(hào)處理器通過A/D 采樣再次反饋至DSP 監(jiān)測(cè)輸出的容量是否和設(shè)定值相符。若不符則進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)整，直至與設(shè)定值偏差在1%范圍內(nèi);實(shí)現(xiàn)電流互感器負(fù)載的設(shè)置。

圖2 電子負(fù)載箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ARM7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三星ARM7TDMI 內(nèi)核的S3C44B0 嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，其設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 ARM7 系統(tǒng)框圖

S3C44B0 是采用160LQFP 封裝的16/32 位處理器(66 MHz)。提供了豐富的內(nèi)置部件和全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而使系統(tǒng)的成本最小化。

系統(tǒng)通過RTL8019 網(wǎng)口芯片與DSP 數(shù)據(jù)通信，將基本參數(shù)與操作指令發(fā)送給DSP，DSP 將測(cè)量數(shù)據(jù)送回至ARM，最后將測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在LCD 上。

3.2 DSP 設(shè)計(jì)

使用DSP 數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)模擬量的測(cè)控，以實(shí)現(xiàn)電流互感器負(fù)載箱。

TMS320F206 是采用100TQFP 封裝的16 位DSP，DSP 將ARM 發(fā)來的電流負(fù)載箱參數(shù)指令接受，將內(nèi)部存儲(chǔ)器預(yù)存的D/A 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到要求輸出的電流負(fù)載箱對(duì)應(yīng)下的同相與正交相D/A 數(shù)據(jù)。將兩個(gè)D/A 數(shù)據(jù)發(fā)給D/A 轉(zhuǎn)換器后合成信號(hào)至功放，功放通過隔離變壓器最終輸出至電流互感器檢定線路。

3.3 D/A 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用16 位AD7849BRZ 電壓基準(zhǔn)D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器通過ROFS 引腳的反饋，可以實(shí)現(xiàn)2 象限的模擬量輸出，采用兩片轉(zhuǎn)換器且采用相差90°的基準(zhǔn)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)4 象限的模擬信號(hào)輸出，因此設(shè)計(jì)的負(fù)載箱不僅實(shí)現(xiàn)阻性、感性負(fù)載，還能實(shí)現(xiàn)容性和負(fù)阻性負(fù)載。此轉(zhuǎn)換器采用同步串口數(shù)據(jù)通信，可以多個(gè)AD7849BRZ 進(jìn)行級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)單條同步串口線控制多個(gè)轉(zhuǎn)換器，采用高速光電隔離芯片后就能夠?qū)⒐Ψ挪糠峙c數(shù)字信號(hào)部分及模擬采樣部分隔離，具有高可靠性的特點(diǎn)。

4 性能測(cè)試

測(cè)試方法及判斷負(fù)荷是否合格的依據(jù)是JJF1264 －2010 《互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)規(guī)范》，負(fù)荷的有功分量與無功分量要求同時(shí)不超過額定有功分量與無功分量的±3%。校準(zhǔn)線路圖［6］如圖4。

圖4 電流互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)線路圖

圖4中，Z 為被校電流互感器負(fù)荷箱;I1，I2為電流源輸出端子;U1，U2為電壓測(cè)量端子。在江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院采用最大允許誤差為±0.5%負(fù)載箱校驗(yàn)裝置對(duì)研制的5A 電子式負(fù)載箱在5%In～120% In進(jìn)行校準(zhǔn)(In為負(fù)載箱額定電流)，負(fù)荷為10 VA 和5 VA(cosφ =0.8)，相應(yīng)Z0為0.4 Ω 和0.2 Ω，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表1。表1 中，標(biāo)稱值為電子式負(fù)載箱設(shè)定值，實(shí)際值為負(fù)載箱校驗(yàn)裝置測(cè)得值。

表1 5A 電流互感器負(fù)載箱測(cè)試數(shù)據(jù)( 有功分量標(biāo)稱值已扣除外接導(dǎo)線0.06 Ω)

表1 中，誤差ε 為負(fù)荷有功分量示值R 的相對(duì)誤差εR的計(jì)算公式為

式中:R0為負(fù)荷有功分量示值的標(biāo)稱值，R0= Z0cosφ(Z0為被校負(fù)荷示值的標(biāo)稱值，cosφ 為功率因數(shù));Rx為負(fù)荷有功分量示值的實(shí)際值(與規(guī)定外部連接導(dǎo)線電阻0.06 Ω 一并計(jì)算)。

表1 中，誤差ε 為負(fù)荷無功分量示值X 的相對(duì)誤差εX的計(jì)算公式為

式中:X0為負(fù)荷無功分量示值的標(biāo)稱值，X0= Z0sinφ;XX為負(fù)荷無功分量示值的實(shí)際值。

負(fù)荷的有功分量與無功分量要求同時(shí)不超過額定有功分量與無功分量的±3%，由表1 可以看到:設(shè)定的額定負(fù)荷與實(shí)測(cè)負(fù)荷誤差不超過±2%，并且可以設(shè)置任意容量和功率因數(shù)。

5 結(jié)論

新型全電子電流負(fù)載箱可以在試驗(yàn)室的互感器校驗(yàn)裝置中使用，也可以在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)互感器中應(yīng)用，可以有效降低負(fù)載箱的故障率，負(fù)載檔位以及功率因數(shù)可以任意設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)電流互感器磁飽和裕度的校驗(yàn)。通過試驗(yàn)室檢定電流互感器，使用全電子電流負(fù)載箱在互感器檢定過程中測(cè)得互感器的誤差與使用常規(guī)電流互感器負(fù)載箱誤差相一致。具有很好的推廣意義。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG313 －2010 測(cè)量用電流互感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

［2］ 趙修民. 電流互感器［M］ . 太原:山西人民出版社，1980.

［3］周秉時(shí). 組合互感器檢定方法探討［J］. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2011，31 (4):32 －34.

［4］單海峰，卜正良，舒乃秋. 互感器測(cè)試中全電子式負(fù)載箱的研制［J］. 電測(cè)與儀表，2002 (12):19 －21.

［5］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG1021 －2007 電力互感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

［6］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1264 －2010 互感器負(fù)荷箱校準(zhǔn)規(guī)范［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.