張杰梁

(福建省計量科學(xué)研究院，福州 350003)

0 引言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，電子式互感器對于電力安全、經(jīng)濟地運行具有越來越重要的意義,市場前景極其廣闊。但從穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性來看，電磁式互感器仍然占有一定的優(yōu)勢。為了確保電磁式互感器提供可靠的測量數(shù)據(jù)，必須采用有效的計量標(biāo)準(zhǔn)器具對其進行檢定。從互感器的檢定方法來看，由于各類間接檢定方法尚未列入國家計量檢定規(guī)程，所以，目前國內(nèi)的計量檢定機構(gòu)大多采用傳統(tǒng)比較法對各類互感器進行檢定。

互感器校驗儀是一種測量電壓互感器和電流互感器比例誤差的儀器。該儀器采用先進的電子測量技術(shù)和(或)電工測量技術(shù)，較好地解決的互感器的檢定技術(shù)難題。然而，由于互感器校驗儀同相分量和正交分量的交叉影響會給測量結(jié)果帶來一定的誤差，即同相分量和正交分量的分解難免要產(chǎn)生相位上的誤差，所以一般的互感器校驗儀只能達到2級或3級。為了確定互感器校驗儀的綜合誤差，國家計量檢定規(guī)程 JJG 169《互感器校驗儀檢定規(guī)程》規(guī)定，對校驗儀進行首次檢定時，要采用復(fù)合檢定的方法，同時，對檢定結(jié)果進行判斷時，也應(yīng)采用復(fù)合誤差公式進行判斷。

從測量原理上看，互感器校驗儀可分為電工式和電子式兩大類?？紤]到早期生產(chǎn)的互感器校驗儀一般為電工式的，這類校驗儀均屬于直角坐標(biāo)型校驗儀，而目前生產(chǎn)的互感器校驗儀大多數(shù)為電子式的，這類校驗儀有直角坐標(biāo)型也有極坐標(biāo)型的，鑒于此，新的互感器校驗儀檢定規(guī)程刪去舊規(guī)程中對直角坐標(biāo)式校驗儀的限定，但從檢定方法上看，依舊采用檢定直角坐標(biāo)式校驗儀的方法。本文將著重分析直角坐標(biāo)型電子式互感器校驗儀正交分解原理，并通過試驗分析互感器校驗儀同相分量和正交分量的交叉影響，進一步驗證JJG169《互感器校驗儀檢定規(guī)程》中對互感器校驗儀復(fù)合誤差定義的科學(xué)性[1-2]。

1 影響電子式互感器校驗儀測量結(jié)果的因素分析[3-5]

與傳統(tǒng)的電工式互感器檢驗儀相比，電子式互感器校驗儀可較好地解決負(fù)載效應(yīng)、自動控制等問題，同時該類儀器操作簡單、測量范圍寬、檢定速度快且容易實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。但由于該類儀器具備同時顯示同相分量和正交分量的示值，同相分量和正交分量的分解必然給測量結(jié)果帶來一定的誤差。此外，目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的電子式互感器校驗儀大多采用阻容移相電路來實現(xiàn)互感器誤差數(shù)據(jù)的測量。由于這類電路中積分放大器的增益是信號頻率的函數(shù)，所以，若在使用時的信號頻率與檢定時的頻率不同，將會給檢定結(jié)果帶來一定的附加誤差。

以上影響電子式互感器校驗儀測量結(jié)果的兩個主要因素中，頻率誤差可通過JJG 169—2010 《互感器校驗儀檢定規(guī)程》中規(guī)定的附加誤差修正來減小其影響。因此，減小同相分量和正交分量的交叉影響是提高電子式互感器校驗儀準(zhǔn)確度等級的主要手段。為了分析電子式互感器校驗儀同相分量和正交分量的交叉影響，現(xiàn)給出兩個分量的向量圖，如圖1所示。

圖中X0與Y0分別表示被測電子式互感器校驗同相分量與正交分量的實際值。X1與Y1表示電子式互感器校驗儀測量時所獲得的兩個示值，其中，X1為同相分量，Y1為正交分量。由于電子式互感器校驗儀的兩個分量的測得值均存在相位誤差，假設(shè)X1的相位誤差為a，Y1的相位誤差為β，則電子式互感器校驗儀工作時，這兩個相位誤差必然會給同相分量和正交分量實測值產(chǎn)生一定的影響，即X1的相位誤差a要產(chǎn)生一個ΔY分量，ΔY將會疊加到Y(jié)1中去，使其顯示值改變?yōu)閅2=Y1+ΔY；同理，Y1的相位誤差β要產(chǎn)生一個ΔX分量，ΔX將會疊加到X1中去，使其顯示值改變?yōu)閄2=X1+ΔX。由此可見，具有兩個測量示值的儀器，只要這個分量是共處在一個直角坐標(biāo)的測量系統(tǒng)之中，則每個分量的相位誤差必然要對另一個分量的示值產(chǎn)生一個疊加誤差。

圖1 同相分量與正交分量的交叉影響示意圖

2 同相分量與正交分量的交叉影響試驗

為了確定電子式互感器校驗儀兩個分量交叉影響給檢定結(jié)果帶來的誤差，現(xiàn)以早期生產(chǎn)的HEW2002型和近幾年改進的HN-2K01B4型互感器校驗儀為例，對其電流互感器測量回路同相分量和正交分量的相互影響進行進行試驗，試驗結(jié)果如表1～表4所示。

表1HN-2K01B4型互感器校驗儀正交分量對同相分量影響的試驗數(shù)據(jù)

表2HN-2K01B4型互感器校驗儀同相分量對正交分量影響的試驗數(shù)據(jù)

表3HEW2002型互感器校驗儀正交分量對同相分量影響的試驗數(shù)據(jù)

表4HEW2002型互感器校驗儀同相分量對正交分量影響的試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

圖2 電子式校驗儀頻率特性擬合曲線

為了分析電子式互感器校驗儀同相分量與正交分量的交叉影響，現(xiàn)采用MATLAB曲線擬合工具箱對表1～表4的測量數(shù)據(jù)進行二次多項式曲線擬合，擬合曲線分別如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)正交分量增大時，相同分量也逐漸增加；增大同相分量時，正交分量逐漸變小，并向負(fù)方向變化。當(dāng)X與Y兩個分量大小相差較大時，示值較大者的相位差對示值較小者的迭加誤差尤為嚴(yán)重。需要進一步指出的是，雖然兩種型號的互感器校驗儀均符合JJG 169—2010《互感器校驗儀檢定規(guī)程》2級要求，但前者的交叉影響量相對較小，據(jù)該公司研制者介紹，該款校驗儀在原有正交分解技術(shù)的基礎(chǔ)上，對測量電路的采樣部分進行改造，從而在一定程度改善了兩個分量的交叉影響。鑒于同相分量與正交分量交叉影響帶來的誤差無法避免，故JJG 169—2010《互感器校驗儀檢定規(guī)程》采用復(fù)合誤差的公式來定義電子式互感器校驗的基本誤差量限：

ΔX=±K(X·a%+Y·a%+DX)

(1)

ΔY=±K(X·a%+Y·a%+DY)

(2)

式中，ΔX為同相分量示值誤差限值；ΔY為正交分量示值誤差限值；K為儀器的量程系數(shù)；X為同相分量示值的絕對值；Y為正交分量示值的絕對值；DX為同相分量示值中的最小分度值或量化值；DY為正交分量中的最小分度值或量化值；a為儀器的準(zhǔn)確度級別指數(shù)。

3 同相分量與正交分量交叉影響的改善[6-9]

傳統(tǒng)的電子式互感器校驗儀一般采用阻容移相原理來進行正交分解，其積分電路如圖3所示。

圖3 90°移相所采用的積分電路

圖3中，A為運算放大器，C為積分電容，R1為積分電阻，R2為平衡電阻，輸入輸出信號分別為Ui和Uo，傳遞函數(shù)為：

(3)

式中，t為積分放大器的時間常數(shù)。由式3可知，積分放大器的增益是電源頻率的函數(shù)。若校驗儀在使用時的信號頻率與檢定時信號頻率不同，將會給檢定結(jié)果帶來一定的附加誤差。為此有必要采用基準(zhǔn)正交分離電路來實現(xiàn)正交移相?；鶞?zhǔn)正交分離電路中，同相分量和正交分量的相位誤差不會因為頻率的改變而產(chǎn)生附加誤差。

基于基準(zhǔn)正交分離電路電子式互感器校驗儀的原理框圖如圖4所示。圖中，AGC為自動增益控制電路，a與β為基準(zhǔn)正交分離電路的輸出驅(qū)動信號，Um為參考信號，a與β的相位關(guān)系以及它們與Um的相位關(guān)系與工作頻率無關(guān)。由于基準(zhǔn)正交分離電路是一種邏輯電路，其相位誤差主要取決于邏輯脈沖的前沿與后沿特性，故只要相應(yīng)元件的時間響應(yīng)速度夠快，就會使這項誤差得到改善。其次，這種四分頻移相技術(shù)是理論性質(zhì)的移相，只要電路連接正確，產(chǎn)生的同相與正交驅(qū)動信號就能保證相移為準(zhǔn)確的90°，不需要任何調(diào)整，也不會隨著時間的推移發(fā)生變化。

圖4 基于基準(zhǔn)正交分離電路電子式互感器校驗儀的原理框圖

4 結(jié)束語

本文在分析電子式互感器校驗儀正交分解原理的基礎(chǔ)上，通過復(fù)合檢定方法對HN-2K01B4型和HEW2002型電子式互感器校驗儀的兩個分量的交叉影響進行試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)正交分量增大時，同相分量也逐漸增加；增大同相分量時，正交分量逐漸變小，并向負(fù)方向變化。當(dāng)X與Y兩個分量大小相差較大時，示值較大者的相位差對示值較小者的迭加誤差尤為嚴(yán)重。為了提高電子式互感器校驗儀的準(zhǔn)確度等級減小其同相分量和正交分量的交叉影響，文中介紹了一種基于正交分離電路的電子式互感器校驗儀，該原理的電子式互感器校驗儀在很大程度上減小了兩個分量交叉影響和工作頻率對測量結(jié)果的影響，提高了儀器的準(zhǔn)確度等級。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 169—2010 互感器校驗儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2010

[2] 張杰梁，黃洪，方杰．電流互感器負(fù)荷箱的檢測及誤差分析[J]．計量技術(shù)，2010(12)

[3] 劉慶余．互感器校驗儀整體檢定的述評(上)[J]．電測與儀表，2003，40(447)

[4] 劉慶余．互感器校驗儀整體檢定的述評(下)[J]．電測與儀表，2003，40(438)

[5] 張杰梁．電流互感器現(xiàn)場測試儀校準(zhǔn)方法研究[D]．廈門大學(xué)，2011

[6] 李童杰，張曉更．基于DSP的電子式電流互感器校驗儀的研制[J]．儀器儀表學(xué)報，2008(8)

[7] 劉慶余．互感器校驗儀的原理與整體檢定[M]．北京：中國計量出版社，2003

[8] 張慶．電子式互感器模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與應(yīng)用[J].低壓電器，2009(14)

[9] 車現(xiàn)偉，王曉東，樊永華，等．同相分離法在精密電流互感器校驗儀中應(yīng)用的研究[J]．計量技術(shù)，2010(12)