潘寶祥，顧紅波

(1. 江蘇省計量科學(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量裝置內(nèi)的重要計量器具，國家將測量用電流互感器作為強(qiáng)制性檢定項目，需要根據(jù)JJG313 －2010 《測量用電流互感器》檢定規(guī)程對其檢定誤差［1］;根據(jù)國網(wǎng)公司頒布的Q/GDW572 －2010 《計量用低壓電流互感器技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，需要對電力公司的每只計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)行誤差測試時必須帶相應(yīng)負(fù)載進(jìn)行測試?；ジ衅鳈z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)實現(xiàn)負(fù)載的輸出;互感器校驗裝置將互感器的誤差測量校驗出來［3］。這種技術(shù)方案常會出現(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;測量特殊功率因數(shù)或負(fù)荷的互感器則無法實現(xiàn)［4］。由于原有電工式負(fù)載箱容量偏小，因此對低壓電流互感器磁飽和裕度試驗也無法實現(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，也可以實現(xiàn)電流互感器磁飽和裕度試驗的要求。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

電流互感器電子式負(fù)載箱主要以ARM7 內(nèi)核的人機(jī)對話處理器以及DSP (數(shù)字信號處理器)為核心的測控單元。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)字量信號輸出至D/A 轉(zhuǎn)換器;兩路D/A 輸出模擬量合成一個相位在0°～360°之間、幅度大小任意可調(diào)的工頻電壓信號，該電壓信號經(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)字信號處理器通過A/D 采樣再次反饋至DSP 監(jiān)測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

3.1 ARM7 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用三星ARM7TDMI 內(nèi)核的S3C44B0 嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)人機(jī)對話，計算機(jī)聯(lián)機(jī)，數(shù)據(jù)存儲功能，其設(shè)計如圖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 將測量數(shù)據(jù)送回至ARM，最后將測試數(shù)據(jù)顯示在LCD 上。

3.2 DSP 設(shè)計

使用DSP 數(shù)字信號處理器實現(xiàn)模擬量的測控，以實現(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)部存儲器預(yù)存的D/A 數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到要求輸出的電流負(fù)載箱對應(yīng)下的同相與正交相D/A 數(shù)據(jù)。將兩個D/A 數(shù)據(jù)發(fā)給D/A 轉(zhuǎn)換器后合成信號至功放，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

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，可以實現(xiàn)4 象限的模擬信號輸出，因此設(shè)計的負(fù)載箱不僅實現(xiàn)阻性、感性負(fù)載，還能實現(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AD7849BRZ 進(jìn)行級聯(lián)，實現(xiàn)單條同步串口線控制多個轉(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 性能測試

測試方法及判斷負(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為電壓測量端子。在江蘇省計量科學(xué)研究院采用最大允許誤差為±0.5%負(fù)載箱校驗裝置對研制的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，實際值為負(fù)載箱校驗裝置測得值。

表1 5A 電流互感器負(fù)載箱測試數(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 的相對誤差εR的計算公式為

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際值(與規(guī)定外部連接導(dǎo)線電阻0.06 Ω 一并計算)。

表1 中，誤差ε 為負(fù)荷無功分量示值X 的相對誤差εX的計算公式為

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際值。

負(fù)荷的有功分量與無功分量要求同時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)荷與實測負(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)載箱可以在試驗室的互感器校驗裝置中使用，也可以在現(xiàn)場校驗互感器中應(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，可以實現(xiàn)電流互感器磁飽和裕度的校驗。通過試驗室檢定電流互感器，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］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG313 －2010 測量用電流互感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國計量出版社，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. 組合互感器檢定方法探討［J］. 計測技術(shù)，2011，31 (4):32 －34.

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

［5］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG1021 －2007 電力互感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國計量出版社，2007.

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