江鵬 宋均正 謝文 劉劍 / 廣東省計量科學(xué)研究院

0 引言

電流、電壓互感器負荷箱用于模擬互感器檢定線路中被檢互感器二次側(cè)外接負荷，依據(jù)JJF 1264-2010《互感器負荷箱校準(zhǔn)規(guī)范》需滿足準(zhǔn)確度3級的要求，若其達不到技術(shù)要求，將影響互感器測量誤差的準(zhǔn)確性[1][2]。因此，互感器負荷箱需定期校準(zhǔn)以保證量值的準(zhǔn)確性。目前，國內(nèi)許多計量技術(shù)機構(gòu)建立了用于互感器負荷箱校準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置?；ジ衅髫摵上湫?zhǔn)裝置（以下簡稱裝置），是專門用于校準(zhǔn)互感器負荷箱的設(shè)備，需定期校準(zhǔn)來保證量值溯源的準(zhǔn)確與統(tǒng)一。目前，沒有相關(guān)的技術(shù)規(guī)范正式發(fā)布，校準(zhǔn)方法也不統(tǒng)一，包括標(biāo)準(zhǔn)負荷法與模擬負荷法。

標(biāo)準(zhǔn)負荷法是將標(biāo)準(zhǔn)電阻、電感以及電容按一定方式組合成標(biāo)準(zhǔn)負荷，電阻用于模擬負荷同相分量，電感和電容模擬負荷正交分量。該方法存在以下不足：標(biāo)準(zhǔn)電阻額定功率小，允許通過的電流小，與被檢儀器實際工作狀態(tài)不符，且校準(zhǔn)方法復(fù)雜；另外，工頻下電阻存在寄生電感及雜散電容無功分量，在不同電流或電壓條件下會發(fā)生變化，數(shù)值難以確定；同樣，電感或電容有功分量也會隨著電壓或電流變化而難以確定。

模擬負荷法通過控制輸入到裝置的電壓與電流大小及相位來模擬不同負荷值。工頻比率電源與標(biāo)準(zhǔn)功率源可以控制輸出電壓與電流信號的大小以及相位角，并輸出模擬負荷值，該方法操作簡單，使用方便。本文分析了裝置的工作原理，在此基礎(chǔ)上分別介紹了用工頻比率電源和標(biāo)準(zhǔn)功率源來校準(zhǔn)裝置的步驟與方法。

1 基本原理

電流、電壓互感器負荷箱大多采用電阻與電感元件串聯(lián)或并聯(lián)組合的方式來得到相應(yīng)的負荷值[3]，包括正交分量與同相分量。對于電流負荷，同相分量指電阻分量，正交分量指電抗分量。相應(yīng)的，電壓負荷的同相分量指電導(dǎo)分量，正交分量指電納分量。

典型裝置結(jié)構(gòu)通常包括輸出信號端和采集信號端，還有專門用于校準(zhǔn)阻抗測量回路和用于校準(zhǔn)導(dǎo)納測量回路的校準(zhǔn)端子。

依據(jù)裝置工作原理，如果在阻抗測量回路中輸入?yún)⒖茧娏饕约跋鄬⒖茧娏飨辔缓痛笮【烧{(diào)節(jié)的差值電壓信號，組成模擬電流負荷，就可以校準(zhǔn)阻抗測量回路。同理，導(dǎo)納測量回路輸入?yún)⒖茧妷阂约跋鄬⒖茧妷合辔缓痛笮【烧{(diào)節(jié)的差值電流信號，組成模擬電壓負荷，可校準(zhǔn)導(dǎo)納測量回路。

裝置輸出一個穩(wěn)定的電流信號到電流互感器負荷箱，通過采集阻抗測量回路兩端的差值電壓信號和兩者之間相位，由式（1）計算電阻分量與電抗分量。

式中：Z——電流負荷；

ΔU——差值電壓信號；

I——電流信號；

R——電阻分量；

X——電抗分量

同理，為了測量電壓負荷值，可以使裝置輸出一個穩(wěn)定的電壓信號到電壓互感器負荷箱，通過采集導(dǎo)納測量回路的差值電流信號與兩者之間相位，由式（2）計算出電導(dǎo)分量與電納分量。

式中：Y——電壓負荷；

ΔI——差值電流信號；

U——電壓信號；

G——電導(dǎo)分量；

B——電納分量

2 工頻比率電源校準(zhǔn)法

工頻比率電源是計量技術(shù)機構(gòu)以及各種科研院所互感器實驗室常用設(shè)備，主要用于檢定互感器校驗儀。工頻比率電源有參考電壓、參考電流以及差值電壓和差值電流4個接線端子，還有調(diào)節(jié)同相分量與正交分量的旋鈕，可以實現(xiàn)差值信號相對參考信號比例關(guān)系和相位關(guān)系的變化，其準(zhǔn)確度等級可達0.2級。參考信號與差值信號通常有以下幾種組合關(guān)系：調(diào)節(jié)差值電流與參考電流或差值電壓與參考電壓比例關(guān)系可以檢定互感器校驗儀誤差測量回路[4][5]。用于校準(zhǔn)裝置時，調(diào)節(jié)差值電壓與參考電流比例關(guān)系可以校準(zhǔn)裝置阻抗測量回路；調(diào)節(jié)差值電流與參考電壓比例關(guān)系可以校準(zhǔn)導(dǎo)納測量回路，測量線路如圖1、圖2所示。工頻比率電源的準(zhǔn)確度等級為0.2級，根據(jù)JJG 169-2010《互感器校驗儀》檢定規(guī)程，可以校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級0.5級及以下的裝置。對于準(zhǔn)確度等級0.2級及以上級別的裝置，需用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)法。

圖1 工頻比率電源校準(zhǔn)裝置阻抗測量線路

圖2 工頻比率電源校準(zhǔn)裝置導(dǎo)納測量線路

3 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)法

標(biāo)準(zhǔn)功率源常用于數(shù)字多用表、指針表以及功率表等相關(guān)儀表的校準(zhǔn)。功率源具有電壓輸出端子和電流輸出端子，輸出信號大小以及相互之間的相位可以調(diào)節(jié)。電壓信號、電流信號可用于儀表電壓、電流的校準(zhǔn)。調(diào)節(jié)電壓、電流信號以及兩者之間的相位，可校準(zhǔn)功率表功率的有功分量、無功分量。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的電壓信號U、電流信號I和相位角θ可組成模擬負荷。阻抗中電阻分量R可用式（3）表示，電抗分量X可用式（4）表示，導(dǎo)納中電導(dǎo)分量G用式（5）表示，電納分量B用式（6）表示。

式中：R——電阻分量；

X——電抗分量；

G——電導(dǎo)分量；

B——電納分量；

U——電壓信號；

I——電流信號；

θ——相位角

根據(jù)以上分析可知，向裝置阻抗（或?qū)Ъ{）測量回路參考電流（或參考電壓）端子輸入電流信號（或電壓信號），向差值電壓端子（或電流端子）輸入電壓信號（或電流信號），可實現(xiàn)阻抗（導(dǎo)納）測量回路的校準(zhǔn)。當(dāng)θ= 0 rad時，調(diào)節(jié)電壓信號與電流信號的比值，可以得到電阻分量不同，電抗分量為0 Ω的系列模擬電阻值。記錄被檢儀器示值，可以得到電阻、電抗分量示值誤差。同理，當(dāng)θ= π/2 rad時，可以得到電抗分量不同，電阻分量為0 Ω的系列模擬電抗值。當(dāng)θ介于0 rad到π/2 rad時，依據(jù)式（3）（4）計算電阻分量與電抗分量。導(dǎo)納校準(zhǔn)方法同理。標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置阻抗、導(dǎo)納的測量線路如圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置阻抗測量線路

圖4 標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置導(dǎo)納測量線路

標(biāo)準(zhǔn)功率源是電學(xué)實驗室常用的設(shè)備，輸出的電壓、電流和相位角都可以溯源到計量基準(zhǔn)。使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)，可以實現(xiàn)裝置的校準(zhǔn)。

4 校準(zhǔn)結(jié)果

本實驗采用標(biāo)準(zhǔn)為ZJ-B1型工頻比率電源和6105A型標(biāo)準(zhǔn)功率源，其中工頻比率電源準(zhǔn)確度等級為0.2級。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出電壓、電流準(zhǔn)確度為±0.006%，輸出功率準(zhǔn)確度為±0.01%，相位誤差為±0.003°。被檢裝置為YZ-SW1型負荷箱校準(zhǔn)裝置，標(biāo)稱準(zhǔn)確度等級為0.5級。用兩種方法測得的數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 ZJ-B1型工頻比率電源校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)

從表1、表2可以看出，用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置時的校準(zhǔn)誤差明顯小于工頻比率電源校準(zhǔn)誤差。尤其當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)值同相分量或正交分量置于0時，無論是阻抗測量回路還是導(dǎo)納測量回路，標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)時該項的誤差明顯減小。由于標(biāo)準(zhǔn)功率源準(zhǔn)確度更高，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)方法。

表2 6105A型標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文提出了基于工頻比率電源和標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)裝置的兩種方法。對于準(zhǔn)確度等級為0.5級及以下的裝置，可用工頻比率電源校準(zhǔn)。準(zhǔn)確度等級為0.2級及以上的裝置，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)功率源校準(zhǔn)。相比工頻比率電源，標(biāo)準(zhǔn)功率源具有更高準(zhǔn)確度，操作也更為方便，溯源也更易實現(xiàn)。