一種用于電流互感器校驗的新型電子式負載箱

潘寶祥，顧紅波

(1. 江蘇省計量科學研究院，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的重要計量器具，國家將測量用電流互感器作為強制性檢定項目，需要根據JJG313 －2010 《測量用電流互感器》檢定規程對其檢定誤差［1］;根據國網公司頒布的Q/GDW572 －2010 《計量用低壓電流互感器技術規范》規定，需要對電力公司的每只計量用低壓電流互感器進行誤差檢定。理論分析表明，電流互感器的誤差與其所接的負荷成正比［2］，因此在進行誤差測試時必須帶相應負載進行測試。互感器檢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載，通過單片機控制繼電器或者開關實現負載的輸出;互感器校驗裝置將互感器的誤差測量校驗出來［3］。這種技術方案常會出現以下問題:繼電器或開關接觸電阻發生變化，電磁元件發生誤差變化;送檢合格率低，返修率偏高;檔位固定，無法升級;測量特殊功率因數或負荷的互感器則無法實現［4］。由于原有電工式負載箱容量偏小，因此對低壓電流互感器磁飽和裕度試驗也無法實現［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載箱，可以任意設置負載大小、功率因數，系統自身帶有負反饋檢測功能，可以保證二次負載的準確度達到±3%以上，也可以實現電流互感器磁飽和裕度試驗的要求。方案提高了互感器負載箱的準確度及穩定性，提高了其測試效率，降低了返修率。

1 理論依據

圖1 新技術與常規阻抗電路比較

2 系統架構設計

電流互感器電子式負載箱主要以ARM7 內核的人機對話處理器以及DSP (數字信號處理器)為核心的測控單元。系統架構如圖2 所示。

工作流程介紹:儀器受上位機指令或人工錄入的方法設置互感器負載容量以及功率因數;儀器將電流互感器的二次電流I·通過電阻R 進行采集，同相放大和90°移相放大;DSP 將同相及正交相數字量信號輸出至D/A 轉換器;兩路D/A 輸出模擬量合成一個相位在0°～360°之間、幅度大小任意可調的工頻電壓信號，該電壓信號經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 數字信號處理器通過A/D 采樣再次反饋至DSP 監測輸出的容量是否和設定值相符。若不符則進行負反饋調整，直至與設定值偏差在1%范圍內;實現電流互感器負載的設置。

圖2 電子負載箱系統結構圖

3 系統硬件設計

3.1 ARM7 系統設計

系統采用三星ARM7TDMI 內核的S3C44B0 嵌入式系統架構實現人機對話，計算機聯機，數據存儲功能，其設計如圖3 所示。

圖3 ARM7 系統框圖

S3C44B0 是采用160LQFP 封裝的16/32 位處理器(66 MHz)。提供了豐富的內置部件和全面的、通用的片上外設，大大減少了系統電路中除處理器以外的元器件配置，從而使系統的成本最小化。

系統通過RTL8019 網口芯片與DSP 數據通信，將基本參數與操作指令發送給DSP，DSP 將測量數據送回至ARM，最后將測試數據顯示在LCD 上。

3.2 DSP 設計

使用DSP 數字信號處理器實現模擬量的測控，以實現電流互感器負載箱。

TMS320F206 是采用100TQFP 封裝的16 位DSP，DSP 將ARM 發來的電流負載箱參數指令接受，將內部存儲器預存的D/A 數據進行計算，得到要求輸出的電流負載箱對應下的同相與正交相D/A 數據。將兩個D/A 數據發給D/A 轉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 系統設計

采用16 位AD7849BRZ 電壓基準D/A 轉換器。轉換器通過ROFS 引腳的反饋，可以實現2 象限的模擬量輸出，采用兩片轉換器且采用相差90°的基準信號，可以實現4 象限的模擬信號輸出，因此設計的負載箱不僅實現阻性、感性負載，還能實現容性和負阻性負載。此轉換器采用同步串口數據通信，可以多個AD7849BRZ 進行級聯，實現單條同步串口線控制多個轉換器，采用高速光電隔離芯片后就能夠將功放部分與數字信號部分及模擬采樣部分隔離，具有高可靠性的特點。

4 性能測試

測試方法及判斷負荷是否合格的依據是JJF1264 －2010 《互感器負荷箱校準規范》，負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%。校準線路圖［6］如圖4。

圖4 電流互感器負荷箱校準線路圖

圖4中，Z 為被校電流互感器負荷箱;I1，I2為電流源輸出端子;U1，U2為電壓測量端子。在江蘇省計量科學研究院采用最大允許誤差為±0.5%負載箱校驗裝置對研制的5A 電子式負載箱在5%In～120% In進行校準(In為負載箱額定電流)，負荷為10 VA 和5 VA(cosφ =0.8)，相應Z0為0.4 Ω 和0.2 Ω，校準數據見表1。表1 中，標稱值為電子式負載箱設定值，實際值為負載箱校驗裝置測得值。

表1 5A 電流互感器負載箱測試數據( 有功分量標稱值已扣除外接導線0.06 Ω)

表1 中，誤差ε 為負荷有功分量示值R 的相對誤差εR的計算公式為

式中:R0為負荷有功分量示值的標稱值，R0= Z0cosφ(Z0為被校負荷示值的標稱值，cosφ 為功率因數);Rx為負荷有功分量示值的實際值(與規定外部連接導線電阻0.06 Ω 一并計算)。

表1 中，誤差ε 為負荷無功分量示值X 的相對誤差εX的計算公式為

式中:X0為負荷無功分量示值的標稱值，X0= Z0sinφ;XX為負荷無功分量示值的實際值。

負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:設定的額定負荷與實測負荷誤差不超過±2%，并且可以設置任意容量和功率因數。

5 結論

新型全電子電流負載箱可以在試驗室的互感器校驗裝置中使用，也可以在現場校驗互感器中應用，可以有效降低負載箱的故障率，負載檔位以及功率因數可以任意設置，可以實現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，使用全電子電流負載箱在互感器檢定過程中測得互感器的誤差與使用常規電流互感器負載箱誤差相一致。具有很好的推廣意義。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG313 －2010 測量用電流互感器檢定規程［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，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載箱的研制［J］. 電測與儀表，2002 (12):19 －21.

［5］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG1021 －2007 電力互感器檢定規程［S］. 北京:中國計量出版社，2007.

［6］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1264 －2010 互感器負荷箱校準規范［S］. 北京:中國計量出版社，2010.