10kA強直流電流標準源的研制

鄧 文 孫 宇 陳 蘭 馮 路

（長沙天恒測控技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410100）

直流大電流廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、航天航空、高鐵機車等重要行業(yè)。核動力、金屬電解、高能物理等科學(xué)研究中，也需要用到數(shù)千安甚至更大的電流。當前直流大電流測量方法包括分流器法、直流互感器法、電流比較器法、霍爾電流傳感器等磁學(xué)方法。直流大電流測量的準確性會直接影響到直流電能的計量。在國內(nèi)，直流大電流量值傳遞體系一直沒有建立，對于高效節(jié)能更是無從談起。本文提出的強直流電流標準源，電流最大輸出能力為10kA，年變化率100ppm/a，其內(nèi)核由高穩(wěn)定度調(diào)節(jié)源和寬頻電流比較儀構(gòu)成，短期穩(wěn)定度達10ppm/min。為建立直流大電流計量量值傳遞體系和檢測規(guī)范提供了依據(jù)。

1 10 kA強直流電流標準源

1.1 標準源的主要特點

（1）標準源由計算機軟件、操作臺、18路600A電流源、電壓測量模塊等組成。最大輸出10kA，連續(xù)可調(diào)，允許輸出最大電壓4V。（2）18路獨立電流源。18路電流源可單獨控制，系統(tǒng)架構(gòu)靈活。電流輸出范圍：0~600A；輸出穩(wěn)定度：0.002%/min；年準確度：0.005%，調(diào)節(jié)細度：0.005%。（3）采用多個開關(guān)電源并聯(lián)的分布式電源系統(tǒng)，具有輸出容量大、效率高、高可靠性等優(yōu)點，是保證大電流輸出主要因素。采用的開關(guān)電源不僅能滿足EN/UL60601等安全標準的要求（包括對低漏電流和強化隔離的要求），還滿足電磁干擾（EMI）B級要求。可以保證輸出功率達到最大額定功率的50%。（4）可靠的保護系統(tǒng)。具有全面的過壓、過流、電流開路保護系統(tǒng)。若其中某一路電流源出現(xiàn)故障，不會影響其他電流源正常工作。

1.2 10kA標準源

主要特點介紹：（1）計算機自動檢測軟件：通過RS232與下位機進行數(shù)據(jù)通信。進行數(shù)據(jù)處理、報表打印、數(shù)據(jù)保存等。（2）操作臺：是硬件裝置同計算機通訊的橋梁。它既可以連接計算機進行全自動檢定，也可以脫離計算機軟件單獨控制硬件進行半自動檢定。（3）18路電流源：是整套系統(tǒng)的核心。由32位微處理器、EEPROM、FPGA、開關(guān)電源、PWM、驅(qū)動及功放模塊、電流比較儀、A/D及D/A、各類通訊接口、按鍵、報警、電源模塊等組成。（4）匯流排：起到匯流母線作用。由較厚的銅板制作而成，散熱快，可承受順時大電流。

2 600 A電流源

單臺電流源的精度是保證整套裝置作為大電流計量標準的關(guān)鍵。下文將分析單臺600A電流源的原理及技術(shù)難點。

2.1 工作原理

（1）電源部分：220V市電一方面通過變壓器變成直流電壓給整個系統(tǒng)供電。另一方面進行整形濾波變成直流大電源，再通過PWM進行脈沖調(diào)制輸出。（2）直流電流輸出控制：32位微處理器接收到操作臺命令后，通過SPI通信接口傳送至FPGA，F(xiàn)PGA再控制D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器輸出一個電壓基準信號傳送至積分器，此信號與反饋信號傳送至積分器經(jīng)過時間τ輸出一個穩(wěn)定的電壓信號。該電壓信號控制脈寬調(diào)制器PWM生成方波信號的幅值，方波信號通過功率放大器后驅(qū)動電流功放模塊輸出直流大電流，電流經(jīng)濾波后，流經(jīng)寬頻直流比較儀。寬頻比較儀將該大電流按設(shè)計好的比例標準二次轉(zhuǎn)換成小電流，該小電流通過I/V轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號。此電壓信號一方面進入反饋電路反饋至積分器，從而構(gòu)成一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，另一方面進入AD采樣電路，記錄當前實際輸出值。系統(tǒng)平衡建立的時間不超過1μs。

2.2 技術(shù)難點及解決方案

本系統(tǒng)中難點在于大電流的測量，大電流測量精度直接影響到電流源的精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀測量電流，能夠快速反饋電流變化。建立磁平衡的時間不超過1μs。而直流比較儀存在磁性和容性兩種誤差。磁性誤差是由鐵心磁導(dǎo)率不均勻、磁特性的非線性、鐵心截面不一致、原副繞組分布不均勻以及外界雜散磁場的影響引起的。可以采用高磁通密度材料制成的主磁屏蔽和高磁導(dǎo)率材料制成的內(nèi)屏蔽，將誤差減小至1×10-8。容性誤差是由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的漏電流引起的。可以采用靜電屏蔽減小誤差。對于測量線路誤差，主要是減少補償繞組漏阻，補償繞組選用截面較大的銅絕緣導(dǎo)線繞組，減少對補償繞組電流測量的影響。寬頻直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。IP為直流大電流，W1為激勵繞組，W2為檢測繞組，W3為補償繞組。其中鐵芯1由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯2由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。實現(xiàn)原理：激勵源激勵鐵芯1和2，W2繞組檢測信號通過二次諧波帶通濾波電路，檢測二次諧波信號。通過解調(diào)器得到直流信號，經(jīng)過前置放大器將信號放大，來控制伺服電流源輸出電流至W 3補償繞組，經(jīng)過不斷調(diào)整使得使得鐵芯1和鐵芯2達到磁平衡狀態(tài)。系統(tǒng)平衡建立的時間不超過1μs。通過標準電阻R進行電流采樣，測試得到U，計算出補償繞組電流，根據(jù)繞組匝數(shù)比計算出IP值。同時此信號可作為報警信號等狀態(tài)信號。

表1

式中：N為比例常數(shù)。

結(jié)語

本文提出的10 kA強直流電流標準源精度高，具有全面的過壓過流保護，安全可靠。計算機專用軟件，實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)管理，并導(dǎo)出不同格式的測試報告。為直流大電流量值傳遞體系的建立提供依據(jù)。

[1]邵海明.國家直流大電流計量標準研究[J].中國計量，2014（03）.

[2]揭秉信.大電流測量[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[3]趙憲寧，高杰，等.開關(guān)電源模塊的并聯(lián)均流和冗余設(shè)計[J].電磁場與微波，2015.