蔣 威，李小魁

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

電流互感器是發(fā)電廠與變電站的高壓電能計(jì)量及大量用戶的電能計(jì)量裝置，它關(guān)系到發(fā)電、送電、供電及用戶等多方的利益.為保證計(jì)量準(zhǔn)確，必須按照SD109 《電能計(jì)量裝置檢驗(yàn)規(guī)程》和DL/668—1999《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》進(jìn)行檢驗(yàn).現(xiàn)場檢定電流互感器，無需標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、升流器、負(fù)載箱、調(diào)壓控制箱以及大電流導(dǎo)線，使用極為簡單的測試接線和操作，實(shí)現(xiàn)電流互感器的檢定，極大地降低了工作強(qiáng)度并提高了工作效率.目前的互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀多用16位CPU完成，運(yùn)行速度慢、精度不高，不具備二次負(fù)荷測試功能.本設(shè)計(jì)將互感器的角差、比差測試與二次負(fù)荷測試結(jié)合在一起，代替了原來的互感器變比測試儀和二次負(fù)荷測試儀，而且采用了STM32單片機(jī)，使系統(tǒng)的運(yùn)行速度和精度大大提高，降低了功耗.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電流現(xiàn)場校驗(yàn)儀由一次和二次電流采樣電路、二次側(cè)電壓采樣電路、STM32單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the system

按鍵電路主要用于輸入標(biāo)稱值，以計(jì)算互感器誤差.一次電流采樣電路用以采樣一次側(cè)電流，二次電流采樣電路用以采樣二次側(cè)電流，通過兩路同時(shí)轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器AD73360將采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至STM32單片機(jī)系統(tǒng).二次電壓采樣電路用以采樣互感器二次側(cè)電壓，送入單片機(jī)系統(tǒng).單片機(jī)系統(tǒng)完成功能校驗(yàn)和二次負(fù)荷測試，采用雙屏顯示的方式，分別顯示校驗(yàn)及測試結(jié)果.

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)，該單片機(jī)使用高性能的ARM? CortexTM-M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，資源豐富，且供電電壓為2.0～3.6 V，具有一系列的省電模式，可降低系統(tǒng)功耗.

1．1 電流互感器校驗(yàn)儀的工作原理

電流互感器由閉合的鐵心、一次線圈和二次線圈構(gòu)成.一次線圈匝數(shù)很少，串接在需要測量的電流的線路中；二次繞組匝數(shù)較多，串接在測量儀表和保護(hù)回路中，利用電磁感應(yīng)原理，把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用于配電系統(tǒng)的測量與保護(hù).

互感器的校驗(yàn)方式是利用鉗形表分別測量一次線圈和二次線圈的電流，通過特定的公式及算法，求出互感器的變比、比差和角差等參數(shù)，與互感器的標(biāo)稱參數(shù)進(jìn)行校對.

互感器的變比的計(jì)算公式為

(1)

其中，I1為一次側(cè)測量電流，I2為二次側(cè)測量電流.為了精確測量變比，對電流采樣電路的精度要求較高.

比差的測量計(jì)算公式為

(2)

其中，Ks為互感器的標(biāo)稱變比，可由鍵盤電路手動輸入.

互感器角差δ為一次和二次電流相位差，由公式(3)可得

δ=θ1-θ2，

(3)

其中，θ1和θ2分別為一次和二次電流初相位，采用傅里葉變換可計(jì)算二者之差.需要注意的是，若計(jì)算角差大于180°，則應(yīng)減去180°[1].

1.2 二次負(fù)荷測試原理

對于電流互感器來說，二次負(fù)荷是指電流互感器所接電氣儀表和并聯(lián)導(dǎo)線的總阻抗[2]，電流互感器的二次負(fù)荷測試就是測試互感器二次側(cè)的電壓U2、電流I2、視在功率S、有功功率P等參數(shù)，計(jì)算功率因數(shù)cosφ2以及二次感抗X和二次電阻R等參數(shù).

互感器視在功率可由公式(4)計(jì)算

(4)

二次側(cè)阻抗模由公式(5)計(jì)算

(5)

由公式(3)、(4)可計(jì)算出互感器二次側(cè)的電阻分量R及電抗分量X，從而利用公式(6)、(7)、(8)計(jì)算有功功率P、無功功率Q及功率因數(shù)λ：

(6)

(7)

(8)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 一次電流采樣電路

2.2 二次電流采樣電路

二次側(cè)電流采樣電路如圖3所示，電流I2由二次鉗形表采樣獲得，有效值為20 mA，經(jīng)電阻R5轉(zhuǎn)化為電壓信號.集成運(yùn)放OP2～OP4構(gòu)成測量放大器，用該電路可以提高差模輸入電阻，事實(shí)上，該電路差模輸入電阻可視為無窮大.該電路的輸出電壓U3為

(9)

調(diào)節(jié)電位器Rw并合理配置各電阻，可使輸出電壓亦為3 V左右.

圖2 一次電流采樣電路Fig.2 Primary side current sampling circuit

圖3 二次電流采樣電路Fig.3 Secondary side current sampling circuit

2.3 二次側(cè)電壓測量電路

二次電壓采樣電路如圖4所示.OP5及R12為構(gòu)成電壓跟隨器，對二次電壓U2進(jìn)行采樣，為保證采樣精度，R12可選用兆歐級電阻.OP6構(gòu)成放大電路，合理配置R13及R14對二次電壓進(jìn)行放大，并利用STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行處理.

圖4 二次電壓采樣放大電路Fig.4 Secondary side voltage sampling amplifier circuit

圖5 系統(tǒng)軟件程序流程圖Fig.5 Software flowchart of the system

2.4 鍵盤及顯示電路

按鍵電路用以輸入互感器的變比，可輸入數(shù)字0～9，并留有存儲、打印和通信等按鍵，以完成對應(yīng)功能.顯示電路用以顯示檢驗(yàn)和測試結(jié)果.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序流程如圖5所示.系統(tǒng)上電后，采用中斷掃描的方式，判斷功能鍵鍵值.當(dāng)按鍵為測量功能時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制，計(jì)算并顯示電流互感器的各項(xiàng)參數(shù)；按鍵為通信功能時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸;當(dāng)按鍵為參數(shù)設(shè)置功能時(shí)，則將互感器的校驗(yàn)參數(shù)和各種標(biāo)稱值輸入系統(tǒng).

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在同等條件下，分別用標(biāo)準(zhǔn)電流表與電流互感器一次側(cè)線圈、二次線圈串聯(lián)，測量一次電流和二次電流.與本系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)比較，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示.該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)電流等級可達(dá)0.1級，并通過精確計(jì)算，角差精確到分，比差可達(dá)0.03%.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data table

5 結(jié)論

通過深入討論電流互感器現(xiàn)場測試儀的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)，給出了相關(guān)計(jì)算公式和測試結(jié)果，研究成果具有一定的市場推廣價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖海紅，王克甫．低壓計(jì)量裝置綜合誤差現(xiàn)場校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電氣應(yīng)用，2011(1):57-59．

[2] 王路．二次實(shí)際負(fù)載對電流互感器誤差的影響[J]．硅谷，2011(1):23-24．