郝斌 閆憲峰
隨著全球一體化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國(guó)科技自主創(chuàng)新的不斷深入,高精度計(jì)量和數(shù)字化量測(cè)技術(shù)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位日益顯著。工頻電流比例值的精準(zhǔn)、有效,對(duì)于智能電網(wǎng)、新能源、航天航空的高精度計(jì)量有重要意義。零磁通電流互感器、電流比較儀的準(zhǔn)確度取決于主互感器或主鐵芯達(dá)到零磁通的程度以及磁性誤差和容性誤差[1]244。
電流比較儀仿真負(fù)荷調(diào)零箱是通過(guò)調(diào)節(jié)仿真負(fù)荷輸出,使零磁通電流互感器、電流比較儀在使用時(shí)工作磁通無(wú)限接近零磁通的裝置。傳統(tǒng)的電壓源仿真負(fù)荷調(diào)零箱采用人工手動(dòng)操作存在以下弊端:1.采用外附指針式指零儀與負(fù)荷調(diào)零箱組合使用,十分笨重,不方便攜帶;2.手動(dòng)操作完全依賴人眼識(shí)別檢流儀是否到達(dá)零位,測(cè)試精確度低;3.正交分量存在移相不到位的情況,有一定的調(diào)零死角;4.測(cè)試過(guò)程需要多人同時(shí)操作調(diào)壓器和調(diào)零箱的撥盤,調(diào)壓器從1%電壓量程緩慢上升到20%電壓量程的過(guò)程中,需同時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)零箱使檢流儀指零,費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)試效率低;5.不支持指零儀與負(fù)荷調(diào)零箱協(xié)調(diào)反饋控制,不能自動(dòng)調(diào)零。
如圖1所示,本裝置包括CPU控制單元、感應(yīng)分壓?jiǎn)卧?、通信單元、顯示單元,內(nèi)附數(shù)字指零單元及檢測(cè)線圈。CPU控制單元通過(guò)采集A/D轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字信號(hào),控制感應(yīng)分壓?jiǎn)卧{(diào)節(jié)同相分量和正交分量的大小,改變輸出的仿真負(fù)荷,使得其近似于零磁通電流互感器、電流比較儀補(bǔ)償繞組的等值負(fù)荷阻抗,此時(shí)檢測(cè)繞組電流小于0.1nA,再由內(nèi)附數(shù)字指零單元反饋至CPU控制單元。
圖1 全自動(dòng)電流比較儀仿真負(fù)荷調(diào)零箱的基本原理圖
CPU控制單元采用STM32芯片控制,通過(guò)modbus通訊協(xié)議與通信單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸,可隨時(shí)配合電流比較儀與校驗(yàn)儀整體檢定系統(tǒng)測(cè)試。顯示單元采用OLED屏顯示,可實(shí)時(shí)監(jiān)視檢測(cè)繞組電流的大小,以及仿真負(fù)荷測(cè)試結(jié)果。
感應(yīng)分壓?jiǎn)卧筛袘?yīng)分壓器TA、感應(yīng)分壓器Ta、移相器組成,感應(yīng)分壓器TA收到CPU的調(diào)節(jié)指令后,通過(guò)五盤感應(yīng)分壓把初級(jí)線圈的電壓轉(zhuǎn)換至次級(jí)線圈作為同相電壓輸入工作回路;同理,采用移相器使電壓相位調(diào)節(jié)至不同角度后,作為正交分量通過(guò)感應(yīng)分壓器Ta輸入工作回路,如圖2所示。
圖中,感應(yīng)分壓器TA包括比例繞組A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10和E0-E10五盤,各盤的匝數(shù)相應(yīng)為前一盤匝數(shù)的1/10;感應(yīng)分壓器Ta包括a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10和e0-e10五盤,各盤的匝數(shù)與感應(yīng)分壓器TA各盤的匝數(shù)依次相同。移相器采用電容C、電阻R串聯(lián)結(jié)構(gòu),并入裝置的輸入端,同時(shí),電阻R接入線圈作為感應(yīng)分壓器Ta的初級(jí)線圈,此外,電容C容量為10~40μF,電阻R的阻值為2~15Ω。端鈕100V、X為仿真負(fù)荷調(diào)零箱的工作電壓輸入端,即此端鈕與穩(wěn)壓源電壓相接,端鈕Bd、D為仿真負(fù)荷調(diào)零箱的輸出端,串聯(lián)接入電流比較儀補(bǔ)償繞組回路,BD端鈕接補(bǔ)償繞組的非極性端,D端鈕接地。
由于電流比較儀、零磁通電流互感器補(bǔ)償繞組的等值負(fù)荷阻抗的數(shù)量級(jí)從10-3~10-1Ω,采用上述設(shè)計(jì),把仿真負(fù)荷調(diào)零箱的輸出電勢(shì)分為5檔微小電壓,即:(1~9)*500mV,(1~9)*50mV,(1~9)*5mV,(1~9)*0.5mV,(1~9)*0.05mV,則調(diào)零箱的最小可調(diào)節(jié)電壓為0.05mV,其仿真負(fù)荷輸出可調(diào)范圍為1*10-5Ω~9*10-1Ω,完全滿足電流比較儀、零磁通電流互感器零磁通調(diào)節(jié)需求。
內(nèi)附數(shù)字指令單元可實(shí)時(shí)采集檢測(cè)繞組的電流信號(hào),并把此電流信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào),通過(guò)隔離取樣、放大、濾波轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓輸送給A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)基準(zhǔn)電壓的頻率和電壓幅值匹配合適的控制數(shù)字量,得到可調(diào)電壓數(shù)字信號(hào)反饋給CPU控制單元。
本單元采用同向放大器,由于同向增益放大器相比反向增益放大器具有更高的輸入阻抗,因此在高精度電壓測(cè)量電路中一般多使用同向增益放大器[2]。設(shè)計(jì)中的同相放大器使用ADG409模擬開(kāi)關(guān)控制運(yùn)放的增益,該電路具有響應(yīng)速度快,線性度好的特點(diǎn),而且不受模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的影響。
第一步,上位機(jī)通過(guò)通信單元下發(fā)測(cè)試調(diào)零任務(wù),穩(wěn)壓源自動(dòng)升壓至20%電壓量程,調(diào)零箱開(kāi)始全自動(dòng)測(cè)試。
日子就這樣一年一年過(guò)去,我也有了兒子,每當(dāng)我也想用我的思想左右兒子,就會(huì)突然想到小時(shí)候跟母親的交惡,于是我就開(kāi)始說(shuō)服自己,對(duì)兒子的態(tài)度就會(huì)溫婉一些??墒窃僭趺礃涌酥?,也會(huì)有失控的情況,失控完我又會(huì)很傷心。
第二步,當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)檢測(cè)繞組中的電流大于50000nA或低于5nA,則發(fā)出報(bào)警。
第三步,調(diào)零箱分別進(jìn)行同相分量和正交分量的極性判斷,首先進(jìn)行同相分量極性判斷,控制感應(yīng)分壓器TA第一盤A1閉合,變換同相極性檔位,當(dāng)檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為此時(shí)為同相分量正確的極性;同理,接著進(jìn)行正交分量的極性判斷,控制感應(yīng)分壓器Ta第一盤a1閉合,變換正交極性檔位,當(dāng)檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為此時(shí)為正交分量正確的極性。
如:判斷極性時(shí),控制感應(yīng)分壓器TA第一盤A1閉合,變換極性檔位為負(fù),檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為同相極性為負(fù)極性,接著控制感應(yīng)分壓器Ta第一盤a1閉合,變換極性檔位為正,檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為正交極性為正極性。
第四步,判斷調(diào)零箱同相分量和正交分量的起始盤,依次閉合感應(yīng)分壓器TA第一盤至第五盤的A1、B1、C1、D1、E1,當(dāng)檢測(cè)繞組電流減小,則此盤為同相分量起始盤。同理,確定正交分量的起始盤,依次閉合感應(yīng)分壓器Ta第一盤至第五盤的a1、b1、c1、d1、e1,當(dāng)檢測(cè)繞組電流減小,則此盤為正交分量起始盤。
如:當(dāng)控制感應(yīng)分壓器TA第一盤A1閉合,檢測(cè)繞組電流變大,則A1復(fù)位,閉合B1,當(dāng)檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為B0-B10盤為同相分量起始盤,當(dāng)控制感應(yīng)分壓器Ta第一盤a1閉合,檢測(cè)繞組電流減小,則認(rèn)為a0-a10盤為正交分量起始盤。
第五步,全盤判斷時(shí),感應(yīng)分壓器TA的五盤比例繞組按照優(yōu)先級(jí)從高到低A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10至E0-E10排列,感應(yīng)分壓器Ta的五盤比例繞組同理按照優(yōu)先級(jí)從高到低a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10至e0-e10排列。選擇同相分量和正交分量起始盤中優(yōu)先級(jí)最高盤作為判斷開(kāi)始,按照同相分量和正交分量同等優(yōu)先級(jí)規(guī)則,各盤輪流依次循環(huán)判斷,選定每盤檢測(cè)繞組電流最小的檔位,直至全部判斷完成輸出仿真負(fù)荷。
如:當(dāng)同相分量起始盤為B0-B10盤,正交分量起始盤為a0-a10盤,則從a0-a10盤開(kāi)始進(jìn)行增量判斷,若a7時(shí)電流最小,則該檔位置于a7,再對(duì)B0-B10盤進(jìn)行增量判斷,若B2時(shí)電流最小,則該檔位置于B2,接著按照相同的方法依次判斷b0-b10、C0-C10、c0-c10、D0-D10、d0-d10、E0-E10和e0-e10直至全部判斷完成。
第六步,測(cè)試過(guò)程中,測(cè)試狀態(tài)和檢測(cè)繞組的電流通過(guò)通信單元實(shí)時(shí)反饋至上位機(jī)。
第七步,檢測(cè)結(jié)束,調(diào)零箱通過(guò)通信單元發(fā)送仿真負(fù)荷輸出值及調(diào)零結(jié)束信號(hào)至上位機(jī),上位機(jī)將結(jié)果數(shù)據(jù)保存。
電流比例標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)和溯源,需要數(shù)臺(tái)補(bǔ)償式電流比較儀組合,通過(guò)自校、互較、加法、乘法和除法等檢定線路進(jìn)行校準(zhǔn),其大多數(shù)線路都需要仿真負(fù)荷調(diào)零箱調(diào)節(jié)補(bǔ)償繞組的壓降,使電流比較儀在工作時(shí)接近于零磁通,如圖3為電流比較儀的加法線路,在標(biāo)準(zhǔn)輔助電流互感器Toa的差流回路中串聯(lián)仿真負(fù)荷調(diào)零箱,以此來(lái)抵消To二次回路中所有負(fù)荷。
圖3 電流比較儀加法線路
分別采用傳統(tǒng)仿真負(fù)荷調(diào)零箱與全自動(dòng)電流比較儀仿真負(fù)荷調(diào)零箱串入檢定線路進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
在電流比較儀加法線路中,標(biāo)準(zhǔn)To的二次負(fù)荷為被檢Tx的一次繞組的電阻壓降,其等值電阻的數(shù)量級(jí)為10-1Ω[1]271,仿真負(fù)荷調(diào)零箱需輸出相應(yīng)的仿真負(fù)荷即可調(diào)節(jié),測(cè)試時(shí)其工作電流為20%額定電流1A,由上表可知,本裝置與傳統(tǒng)調(diào)零箱測(cè)試結(jié)果的最大差值為0.06mV,折算至仿真負(fù)荷為0.06mΩ,比0.1Ω小約4個(gè)數(shù)量級(jí),可以忽略不計(jì),同時(shí)測(cè)試一組數(shù)據(jù)的時(shí)間從6分鐘降低至30秒,極大提高了工作效率。
本裝置解決了傳統(tǒng)的仿真負(fù)荷調(diào)零箱人為干預(yù)較多,操作不靈活及調(diào)零死角的問(wèn)題,且操作簡(jiǎn)單,一鍵式調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了自主跟隨、仿真負(fù)荷線性輸出,負(fù)反饋智能控制,提高了工作效率。