400kA量級電流傳感器校準的方法研究

李亞,李慶媛，王林森，武旭

（中科院等離子體物理研究所，安徽合肥，230031）

0 引言

國家和城市的快速發(fā)展，社會對用電需求量越來越大，電解鋁廠、電力機車、可控熱核聚變裝置等領(lǐng)域普遍使用超大電流傳感器，在這些應用領(lǐng)域，主回路電流高達幾十到幾百kA，有的可以達到MA級別。測量這么大電流，也得保證電流傳感器的準確性，準確性對企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求、科學研究等方便起著較大作用，那就要計量溯源。0～ 60kA直流穩(wěn)態(tài)電流傳感器可以到國家高電壓計量站進行校準溯源，采用直接比較法，標準源的測量不確定度非常小，可以達到10-7；0～ 130kA直流脈沖電流傳感器可以到上海電器設備檢測所進行校準溯源，采用直接比較法，標準源的測量不確定度也可以達到10-3，而幾百kA電流傳感器校準溯源一直是個計量難題，溯源比較困難，沒有那么大量程的標準電流傳感器。傳統(tǒng)技術(shù)也可以采用等安匝法實現(xiàn)400kA甚至更高量程電流傳感器校準溯源，等安匝線圈可以是方形結(jié)構(gòu)或是圓形結(jié)構(gòu)，中心磁場強度比較大，被校電流傳感器會受到等安匝線圈中心磁場的干擾，影響測量結(jié)果。本文闡述一種并聯(lián)分流進行400kA等超大量程電流傳感器的校準方法。

1 400kA電流傳感器等安匝法校準

1.1 校準原理

等安匝法校準超大電流如圖1所示，電流從電源正極出來，經(jīng)過母排，穿過標準電流傳感器，連接等安匝線圈，回到電源負極。需要用到設備儀器有：標準電流傳感器、被校電流傳感器、數(shù)字多用表、電源，其中標準電流傳感器和數(shù)字多用表是標準器具經(jīng)外部校準并確認合格，標準電流傳感器準確度等級0.2級，比例系數(shù)為K1單位A/V，電源是穩(wěn)態(tài)直流電源，被校電流傳感器直接測量等安匝線圈的電流，準確度等級1.0級，比例系數(shù)為K2單位A/V，數(shù)字多用表1測量標準電流傳感器輸出電壓V1，數(shù)字多用表2測量被校電流傳感器輸出電壓V2，通過公式（1）計算電源主回路電流I1：

表1 250kA及380kA校準結(jié)果

圖1 等安匝法校準示意圖圖

通過公式（2）可計算N匝線圈電流I2：

假設電源單匝母排可以穩(wěn)態(tài)通電流I1=4000A，等安匝線圈有100匝，總的等安匝線圈電流I3根據(jù)公式（3）計算：

通過比較I3與I2的值完成等安匝法校準超大量程電流傳感器。等安匝法校準超大量程電流傳感器，依賴于等安匝線圈的加工精度，匝數(shù)的控制，匝與匝之間的間隙，絕緣強度等級，線圈的尺寸，線圈的形狀等。

2 400kA電流傳感器并聯(lián)分流法校準

2.1 校準背景平臺

并聯(lián)分流方法依托大功率電氣設備檢測中心平臺，該平臺有4套大功率可控硅晶閘管整流器，通過串并聯(lián)組合，實現(xiàn)大電流輸出，可進行高溫超導電流引線、大功率直流隔離開關(guān)、直流電抗器、半導體開關(guān)、半導體變流器、直流母排等溫升試驗及短時耐受電流試驗檢測。其主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示，最大電流輸出能力為：

圖2 直流測試平臺主回路結(jié)構(gòu)圖

(1)最大穩(wěn)態(tài)可持續(xù)電流：120kA；

(2)最大短路沖擊脈沖電流：450kA。

2.2 校準原理

依據(jù)大功率電氣設備檢測中心直流測試平臺主回路結(jié)構(gòu)圖，CU1～ CU4是4套參數(shù)完全一致的可控硅晶閘管整流器，每套穩(wěn)態(tài)電流30kA、短時暫態(tài)電流120kA，I1～ I4是4套羅氏線圈電流傳感器，量程為130kA，準確度等級為0.5級，分別測量4套整流器輸出電流；I總-1為羅氏線圈或者光纖電流傳感器，量程為500kA，準確度等級為3.0級，用來測量主回路電流；I總-2為光纖電流傳感器，是從上海電器設備檢測所校準溯源并確認合格的標準電流傳感器，量程為130kA，準確度等級為0.2級，用來測量主回路電流（0～ 130kA）、比對4套整流器電流傳感器，根據(jù)并聯(lián)分流公式：

2.3 校準程序

(1)通電前，檢查需要用到的儀器設備狀態(tài)、現(xiàn)場溫濕度環(huán)境；

(2)根據(jù)大功率直流測試平臺的特點，進行必要的校準前準備，比如（空載測試，開環(huán)測試，閉環(huán)測試）；

(3)設備比對試驗，驗證I1～ I4電流傳感器測量結(jié)果是否準確，就是讓每套整流器單獨工作，比如驗證I1，只讓CU1整流器單獨工作， CU2～ CU4不啟動，查看I1與I總-2之間的比對結(jié)果，是否符合0.5級的要求。以此類推查看I2～ I4的比對結(jié)果；

(4)用比對好的I1～ I4校準I總-1電流傳感器，記錄數(shù)據(jù)。

2.4 校準波形及結(jié)果

現(xiàn)提供250kA及380kA測試波形和結(jié)果。

圖3 250kA短路沖擊波形

圖4 380kA短路沖擊波形

圖中Irog-cu1～ Irog-cu4是I1～ I4電流傳感器測量的電流值，Irog-總是I總-1電流傳感器測量的電流值，可以看出在短路沖擊校準時，被校電流傳感器測量的電流與4套整流器電流上升、下降時間一致，無相位誤差。表1中可以得出，在250kA及380kA沖擊電流下，被校電流傳感器測量結(jié)果滿足精度要求。

3 結(jié)論

本文主要開展了400kA量級超大量程電流傳感器的校準工作，并通過現(xiàn)有的大功率直流測試平臺得到驗證，分析通過并聯(lián)分流的方法在超大量程電流傳感器校準計量的可行性和實用性。