張杰梁

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

0 引言

為解決電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)這一難題，上世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就開(kāi)始研究電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)。1997年，王新民的《澳大利亞紅相電力設(shè)備公司的互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試新技術(shù)》一文[1]，認(rèn)為只要將調(diào)壓器調(diào)節(jié)在電流互感器線性段內(nèi)，采用數(shù)字電壓表和相位檢測(cè)器即可完成電流互感器基本誤差的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。1998年，趙修民等人的《現(xiàn)場(chǎng)高壓和大電流互感器測(cè)量原理的探討》一文[2]，對(duì)上述方法進(jìn)行了深入地探討。1999年，郭劍峰等人的《電流互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的革命》一文[3]，介紹了590C型電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀(以下簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀)的基本原理。2003年山西機(jī)電設(shè)計(jì)研究院推出HLE1型現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀[4]，使電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)大為簡(jiǎn)化。2005年，奧地利OMICRON公司推出CT分析儀，該儀器除了用來(lái)校準(zhǔn)電流互感器基本誤差外，還可以用來(lái)測(cè)試被檢電流互感器的直阻和繪制磁化曲線等。2007年，為了解決電力互感器磁飽和裕度的檢定問(wèn)題，JJG 1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》中介紹了一種間接測(cè)量互感器的新方法即“負(fù)荷誤差曲線外推法”。根據(jù)類似原理，寧波三維電測(cè)設(shè)備公司和寧波合通電子有限公司推出了CT06型負(fù)荷外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀和HEL-X8II型現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置。目前，基于不同原理的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀在國(guó)內(nèi)互感器生產(chǎn)企業(yè)、電力部門(mén)和科研院所得到了一定的推廣和應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的推廣和應(yīng)用給電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)帶來(lái)極大的方便。但到目前為止，國(guó)內(nèi)外還未針對(duì)該類儀器的校準(zhǔn)制定統(tǒng)一的方法以確保其量值的溯源性。關(guān)于該類儀器的校準(zhǔn)方法，主要有劉星、陸文駿等人提出的間接比對(duì)法[6-7]、山西互感器電測(cè)設(shè)備有限公司提出的“電壓互感器法”或“感應(yīng)分壓器法”[8]以及福建省計(jì)量科學(xué)研究院等單位采用的“電流互感器法”[9]，但至今尚未有任何公開(kāi)文獻(xiàn)對(duì)這幾種校準(zhǔn)方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證、比較和分析。考慮到低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的普遍性以及校準(zhǔn)的復(fù)雜性，本文將以該原理的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀為例，采用不同的校準(zhǔn)方法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)、分析和比較，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的基本原理

基于低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀實(shí)際上是根據(jù)互易定理的第三種形式，將被校電流互感器等效成相同變比及準(zhǔn)確度等級(jí)的電壓互感器。

圖1中，方框內(nèi)部?jī)H含線性電阻，不含任何獨(dú)立電源和受控源。iS為電流源，其電流為i1，它是圖中唯一的激勵(lì)，i2為iS產(chǎn)生的響應(yīng)。圖2把圖1的激勵(lì)改為電壓源，若把電流源和電壓源置零，可以看出激勵(lì)和響應(yīng)互換位置后，電路保持不變。

圖1 互易定理的第三種形式(激勵(lì)為電流)

對(duì)圖1和圖2應(yīng)用特勒根定理，有

(1)

(2)

圖2 互易定理的第三種形式(激勵(lì)為電壓源)

當(dāng)把一只普通的電流互感器看成圖1和圖2中的互易網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由式(2)可知，在保持CT鐵心磁化狀態(tài)不變的情況下，電流互感器的實(shí)際電流比等于電壓互感器的電壓比。

這時(shí)候，若能夠測(cè)出實(shí)際電壓比，就可求出CT誤差，即：

(3)

式中，KH為CT額定電流比，K為實(shí)際電壓比。由此可得到等效電路圖，如圖3所示：

圖3 等效電路圖

圖3中，G表示鐵損的電導(dǎo)，B表示次級(jí)繞組的電納，x2為漏感抗，r2為二次繞組的電阻，若令

(4)

(5)

ZH=rH+jxH

(6)

則初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為：

Up=Us[1-(G-jB)(r2+rH+jx2+jxH)]n2/n1

(7)

將式(7)代入式(3)并將實(shí)部和虛部分開(kāi)后易得：

(8)

δ=-3438[(x2+xH)G-(r2+rH)B]

(9)

2 基于低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)方法

2.1 間接比對(duì)法

間接比對(duì)法最早是在文獻(xiàn)[6]中提出的，該方法是先分別選擇傳統(tǒng)的電流互感器標(biāo)準(zhǔn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀對(duì)一特定的CT(即比較樣品)進(jìn)行校準(zhǔn)，只要二者之差的絕對(duì)值不大于儀器的允許誤差限值，則認(rèn)為被校的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀符合相關(guān)要求。關(guān)于間接比對(duì)法，文獻(xiàn)[7]在分析現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，對(duì)比較樣品提出了額定電流比大、漏感抗大、額定負(fù)荷小等要求。因?yàn)楦鶕?jù)式(8)和式(9)，在額定電流比和漏感抗大的情況下，才能得到儀器的最大誤差，而額定負(fù)荷小，初級(jí)繞組感應(yīng)電壓小，易受干擾，這種情況下獲得的誤差，更接近儀器的最大誤差。文獻(xiàn)[7]中的符合性判斷公式見(jiàn)式(10)和式(11)。

(10)

(11)

式中，f1和δ1分別為傳統(tǒng)的電流互感器標(biāo)準(zhǔn)裝置得出比值差和相位差，f2和δ2分別為現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀得出比值差和相位差，uf1和uδ1為傳統(tǒng)電流互感器標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)比對(duì)樣品比值差和相位差的測(cè)量不確定度，uf2和uδ2為現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀校準(zhǔn)比對(duì)樣品比值差和相位差的測(cè)量不確定度。

2.2 電壓互感器法

從現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的基本原理來(lái)看，由于該類儀器是基于互易原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也考慮到電壓互感器或感應(yīng)分壓器的輸入阻抗大，所以，這時(shí)候感應(yīng)電壓大，容易測(cè)得準(zhǔn)，選擇特殊變比的電壓互感器或感應(yīng)分壓器即可完成低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)。只要整個(gè)校準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度不大于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀允許誤差限值的1/3，且輸出值范圍應(yīng)能分別覆蓋現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的測(cè)量范圍即可。采用電壓互感器法或感應(yīng)分壓器法的校準(zhǔn)原理圖如圖4所示，圖中，PT為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器或感應(yīng)分壓器，變比為20～100V/0.02～4V，A為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器一次側(cè)的極性端，X為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器一次側(cè)的非極性端，a、x分別為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次側(cè)的極性端和非極性端?，F(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的K1和K2為電壓激勵(lì)端，L1和L2構(gòu)成二次側(cè)采樣端。

圖4 電壓互感器法校準(zhǔn)原理圖

2.3 電流互感器法

目前，普通準(zhǔn)確度等級(jí)電磁式電流互感器的補(bǔ)償一般采用線性補(bǔ)償方法，如匝數(shù)補(bǔ)償?shù)取榱颂岣唠娏骰ジ衅鞯臏?zhǔn)確度同時(shí)又要考慮成本，就必須采用一些非線性的補(bǔ)償方法，如磁分路補(bǔ)償、電容補(bǔ)償?shù)?。磁分路補(bǔ)償?shù)淖饔檬窃诶奖戎挡钋€的同時(shí)，還能部分拉平相位差曲線。這種方法簡(jiǎn)單，效果較好，早期電力系統(tǒng)中使用的0.5級(jí)電流互感器一般都有采用這類補(bǔ)償方法。0.05級(jí)以上的精密電流互感器，容量小且鐵心材料一般為鐵鎳合金，初始磁導(dǎo)率高，此時(shí)采用輔助互感器和并聯(lián)電容補(bǔ)償，可以同時(shí)拉平比值差和相位差曲線，而且由于鐵心磁密大幅度下降，還能減小電流互感器的變差，使互感器有更優(yōu)良的性能，電流互感器補(bǔ)償前后比值差和相位差的曲線圖如圖5和圖6所示[10]。

圖5 CT補(bǔ)償前后的比值差誤差曲線圖

圖6 CT補(bǔ)償前后的相位差誤差曲線圖

雖然采用非線性補(bǔ)償有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀是把電流互感器當(dāng)成電壓互感器進(jìn)行校準(zhǔn)，故把采用非線性補(bǔ)償方法的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)不符合低壓外推法中互易定理的定義，其校準(zhǔn)結(jié)果往往會(huì)引入非線性誤差。這時(shí)可采用電流互感器法，電流互感器法的主標(biāo)準(zhǔn)器為不帶非線性補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)電流互感器，鐵心采用坡莫合金并通過(guò)匝數(shù)或分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償，比值差準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.01級(jí)。由于沒(méi)有對(duì)其相位差進(jìn)行補(bǔ)償，所以相位差還達(dá)不到0.01級(jí)，但可以對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正，同樣可以滿足使用要求。采用電流互感器法的校準(zhǔn)原理圖如圖7所示，圖中，CT為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器，變比為5～5000A/5A，L1為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一次側(cè)的極性端，L2為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的一次側(cè)非極性端，K1、K2分別為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次側(cè)的極性端和非極性端。校驗(yàn)儀的K1和K2為校驗(yàn)儀的電壓輸出端，L1和L2構(gòu)成一次側(cè)采樣端。

圖7 電流互感器法校準(zhǔn)原理圖

3 三種校準(zhǔn)方法的比較與分析

3.1 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

現(xiàn)以HLE1-A型現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀為被校對(duì)象，對(duì)該儀器的500A/5A檔進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2～表4所示。

3.2 校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

表2 間接比對(duì)法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表3 電壓互感器法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表4 電流互感器法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證上述三種方法的可行性，我們以三種方法校準(zhǔn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為參考值。假設(shè)三種方法的測(cè)量不確定度都為Ulab，且大小約為被?，F(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀允許誤差限的1/3，則驗(yàn)證公式可用式(12)表示，三種方法的驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

(12)

表5 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

表2～表5的驗(yàn)證數(shù)據(jù)表明：

1)采用三種方法所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合式(12)的要求。采用間接比對(duì)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需要采用低壓外推法和差流法分別對(duì)同一樣品進(jìn)行校準(zhǔn)，效率低；電壓互感器法操作簡(jiǎn)單，但需要設(shè)計(jì)特殊標(biāo)準(zhǔn)變比的電壓互感器或感應(yīng)分壓器，此外，這種特殊變比的電壓互感器或感應(yīng)分壓器還存在“溯源難”的問(wèn)題；電流互感器法需要設(shè)計(jì)不帶非線性補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)電流互感器，未經(jīng)非線性補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)電流互感器相位差很難達(dá)到0.01級(jí)，所以必須對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行修正。

2)從低壓外推法現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的工作原理來(lái)看，采用電壓互感器法或感應(yīng)分壓器法可獲得最佳的校準(zhǔn)結(jié)果，但從實(shí)際的應(yīng)用角度來(lái)考慮，采用電流互感器法更具有現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀最終目的還是為了解決電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問(wèn)題。從表3和表4來(lái)看，二者相同點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果相差較小，最大差值在僅為1/5誤差限值左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)電流互感器校驗(yàn)儀無(wú)法解決電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定問(wèn)題，上世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就開(kāi)始研究電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)。但至今仍未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀制定統(tǒng)一的溯源方法，本文對(duì)常見(jiàn)的幾種校準(zhǔn)方法進(jìn)行總結(jié)和比較，相信所做的上述研究工作會(huì)對(duì)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的發(fā)展會(huì)起到一定的推動(dòng)作用。

[1] 王新民．澳大利亞紅相電力設(shè)備公司的互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試新技術(shù)[J]．互感器通訊，1997(1)

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