基于Visual Basic的互感器負荷箱測量儀校準系統的實現

張杰梁，趙斯衎，董小龍，黃洪

(福建省計量科學研究院，福建福州350003)

基于Visual Basic的互感器負荷箱測量儀校準系統的實現

張杰梁，趙斯衎，董小龍，黃洪

(福建省計量科學研究院，福建福州350003)

為解決互感器負荷箱測量儀同相分量和正交分量的校準問題，在分析互感器負荷箱測量儀工作原理的基礎上，設計了基于電子/電工組合式的互感器負荷箱測量儀校準裝置，并簡要說明裝置電工部分、電子部分以及上位機軟件的實現。經省級計量研究院驗證結果表明，該裝置校準結果符合0.2級要求，可作為標準裝置解決1級互感器負荷箱測量儀量值溯源問題。

互感器負荷箱測量儀;校準;有功分量;無功分量

0 引言

電力系統中使用的互感器主要作為擴大電能表量程使用，因此其二次負荷主要由電能表電壓電流線圈、聯接導線的電阻以及聯接點的接觸電阻等構成。為了確定互感器在帶載狀態下的誤差，在實驗室檢定互感器時，通常采用互感器負荷箱來對二次回路的負荷進行模擬，從而獲得近似真實狀態下互感器的誤差［1－3］。值得一提的是，這種用于模擬互感器二次回路的負荷箱必須按國家計量技術規范JJF 1264《互感器負荷箱校準規范》進行定期校準才能保證其量值的準確性和可靠性［4－5］。

互感器負荷箱測量儀是一種專門用于校準互感器負荷箱的設備，國內互感器制造企業如武漢南瑞公司、寧波合通公司、山西互感器電測設備公司等都有生產。但由于該類儀器還缺乏相應的校準系統以確保量值的溯源性，故有必要研制一套穩定性好、量值可靠的互感器負荷箱測量儀校準系統解決互感器負荷箱測量儀的校準問題。

本文將在闡述互感器負荷箱測量儀結構原理的基礎上，介紹一種基于Visual Basic的互感器負荷箱測量儀校準系統，詳細說明裝置電工部分、電子部分以及控制部分的實現，經省級計量機構驗證結果表明，該裝置測量結果可靠，可作為標準裝置解決電流互感器負荷箱量值溯源問題。

1 互感器負荷箱測量儀的工作原理

從測量原理上看，互感器負荷箱主要有電工式和電子式兩種，不管是電工式還是電子式電流互感器負荷箱，其結構型式都是基于阻抗式和阻抗變換式，且準確度一般為3級。為了溯源，必須采用準確度為1級或更高等級的負荷箱測量儀對互感器負荷箱的量值進行校準。目前，國內常用互感器負荷箱測量儀的基本原理圖見圖1。

圖1 互感器負荷箱測量儀基本原理圖

該類儀器校準電壓互感器負荷箱的基本原理是通過穩壓穩頻電壓給調壓源供電，從而輸出一個穩定的電壓信號到電壓互感器負荷箱的接線端，通過采樣回路中電流信號的大小和電壓電流的角差，按式(1)和式(2)分別計算出電壓互感器負荷箱有功分量G和無功分量B的大小［6－7］。

互感器負荷箱測量儀校準電流互感器負荷箱則是通過穩壓穩頻電壓給調壓源供電，輸出一個穩定的電流信號到電流互感器負荷箱的接線端子上，通過采樣端子上的電壓信號的大小和與電流信號的角度差，按式(3)和式(4)計算出電流互感器負荷箱有功分量R和無功分量X的大小。

2 互感器負荷箱測量儀校準系統的實現

為實現互感器負荷箱測量儀的校準，一種是采用實負荷的方法，即通過0.2級或以上等級、工作頻率為50 Hz的標準電阻器、電感器以及電容器來完成，其中，標準電阻器用于實現有功分量的校準，電感器和電容器用于校準無功分量;另一種是采用虛擬負荷的方法，通過精密電壓電流源和小電壓電流源的組合，從而構成不同的阻抗或導納標準值。

從理論上看，實負荷法是可行的，但據中國計量科學研究院相關技術人員介紹，目前國內工頻電阻、電感以及電容的校準一般通過GR1689高精密數字電橋來實現，該類儀器在50 Hz下的準確度最高只能達到0.1～0.2級，無法解決0.2級或以上等級標準電阻器、電感器以及電容器的校準問題。鑒于此，本文采用第二種方案，即采用虛擬負荷的方法來實現互感器負荷箱測量儀的校準。

2.1 硬件部分

互感器負荷箱測量儀校準系統硬件部分主要由電工部分和電子部分組成。圖2中，第1部分50 Hz正弦波的波形數據存儲在ROM中，通過CPLD燒寫好的控制時序輸出正弦波的幅值數據，此數據通過D/A轉換器和濾波電路即可生成標準的50 Hz正弦波信號;50 Hz正弦波信號經過第2部分和第3部分的精密功放電路即可生成第4部分的電壓百分表信號。電壓百分表信號通過第5部分的V/I電路產生電流百分表信號;第6部分為90°的精密移相電路，用以產生角差信號;電壓的輸出由PT1和PT2經過十進制的開關來控制，最后進行信號合成輸出，而電流的輸出則由CT1和CT2經過十進制的開關來控制，最后進行信號合成輸出［8］。

圖2 互感器負荷箱測量儀校準裝置原理圖

電工部分由感應分壓器、精密PT/CT、檔位開關及十進制撥盤組成。感應分壓器的分壓比為0.00001～1，用以產生比例電壓信號，信號的分壓比通過十進制撥盤控制。精密PT/CT用于實現信號的隔離。電子部分由V/I轉換電路、比差角差合成電路、顯示電路、正弦信號發生電路、程控放大電路等組成。電流信號由精密V/I轉換電路產生，比差角差信號通過運放加法電路實現四象限輸出。顯示電路將百分表、比差、角差的數值在LED顯示屏上顯示出來。正弦信號發生電路(見圖3)由 DDS芯片 AD9851和運放等組成。AD9851是AD公司精密DDS芯片，可以產生頻率穩定的正弦信號。后邊是以運放為核心的高通濾波電路，將直流信號進行衰減。圖4為1－10－100－1000的同相十進制程控放大電路，該電路主要由精密電阻網絡、模擬開關ADG409、運放等組成［9］。

圖3 DDS正弦信號發生電路

圖4 程控放大電路

整個線路采用電工電子原理進行合成，充分發揮電工電子線路各自的優點。從互感器負荷箱測量儀校準裝置原理圖可以看出，由穩頻穩壓電源出來的電壓經過調壓源產生工作電壓、工作電流以及電壓電流信號給百分表，并經過同相分量及正交分量放大后，合成輸出所需的微差電壓或微差電流，通過數碼表頭顯示。同相分量直接由十進制撥盤連接感應分壓器不同分壓比抽頭產生，正交分量則通過對同相分量進行± 90°的移相電路產生(見圖5)。輸出信號由同相分量及正交分量進行加法運算而成。

所研制的互感器負荷箱測量儀校準裝置，電流負荷測量范圍為0.10～10Ω，電壓負荷測量范圍為0.10～100 mS，準確度為0.2級;信號源可調范圍為0.1%～125%的額定電壓或額定電流，準確度為0.5級;輸出電壓、電流和功率值5 min內的穩定度優于0.05%;輸出電壓、電流的正交性為90°±0.05°，可用于1級互感器負荷箱測量儀的校準。

圖5 90°移相電路

2.2 軟件部分

為了確保互感器負荷箱測量儀校準系統的智能化，需要編制軟件和硬件的通訊平臺，建立檢定通訊規約，設計出人性化、友好的人機操作控制系統，使其具有自動測量、數據處理、自動出具檢定證書等功能。系統的軟件流程如圖6所示，軟件界面如圖7和圖8所示。

圖6 流程圖

圖7 信息錄入界面

圖8 校準界面

3 試驗驗證及分析

以0.05級高精度功率測量儀和0.01級特殊變比的精密電壓電流互感器構成的標準裝置對所研制的互感器負荷箱測量儀校準裝置(被檢裝置)進行校準，被檢裝置電流負荷和電壓負荷的校準原理圖見圖9和圖10。

圖9 被檢裝置電流負荷校準原理圖

圖10 被檢裝置電壓負荷校準原理圖

校準數據見表1和表2。這些數據表明，該裝置同相分量和正交分量校準結果均符合0.2級要求，可作為標準裝置解決1級互感器負荷箱測量儀量值溯源問題。

表1 電流負荷校準數據 Ω

表2 電壓負荷校準數據 mS

4 結束語

關于互感器負荷箱測量儀校準系統的實現，目前國內僅有文獻［7］做過介紹，且該文所提出的“標準負荷法”，其標準器在工頻下量值的溯源性難以實現。本文采用的虛擬負荷法，其原理是通過精密電壓電流源和小電壓電流源的組合，構成不同的阻抗或導納標準值，為解決1級互感器負荷箱測量儀的量值溯源問題提供一種可能;但要解決0.5級或更高等級互感器負荷箱測量儀的校準問題，須提高校準系統輸出交流相位的準確度，這也是本系統存在的不足之處以及今后要解決的關鍵問題所在。

［1］趙屹濤，趙修民.升壓升流器與負荷箱［M］.北京:中國水利水電出版社，2005:91－112.

［2］H.Sasaki，H.Nishinaka，K.Shida.High－Precision Automated Resistance Measurement Using a Modified Wheatstone Bridge［C］//IEEE Trans.Instrum.Meas，1988:156－157.

［3］趙修民.在互感器檢定中負載誤差所造成的影響［J］.互感器通訊，1993(4):1－5，22.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 1264－2010互感器負荷箱校準規范［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［5］張杰梁，黃洪，方杰.電流互感器負荷箱的檢測及誤差分析［J］.計量技術，2010(12):38－40.

［6］張杰梁.電子式互感器校驗儀同相分量與正交分量的交叉影響研究［J］.計量技術，2012(8):54－57.

［7］陳威，王江平，李秀鋒，等.互感器負荷箱測試儀的校準方法探討［J］.自動化與儀器儀表，2013(2):137－138.

［8］劉慶余.互感器校驗儀的原理與整體檢定［M］.北京:中國計量出版社，2003.

［9］宋健康.互感器校驗儀全自動整檢裝置［J］.儀表技術，2010(6):30－31，34.

Realization of Calibration System for Testing Instruments on Load Box of Instrument Transformers Based on Visual Basic

ZHANG Jieliang，ZHAO Sikan，DONG Xiaolong，HUANG Hong
(Fujian Institute of Metrology，Fuzhou 350003，China)

A calibration device based on electronics/electrical combination is designed for testing instruments on load box of instrument transformers.It aims to calibrate the in－phase components and quadrature components of the testing instruments on load box of instrument transformers，and analyzes theworking principles of the testing instruments.This paper discusses briefly the electrical section，electronics section and the realization of the PC software.The verification results of a provincial institute show that the device calibration results conform to the requirements of themagnitude 0.2，and the device can serve as a standard in the value traceability of first－level testing instruments on load box of instrument transformers.

testing instrument on load box of instrument transformer;calibration;active component;reactive component

TB971;TM934

A

1674－5795(2015)01－0026－04

10.11823/j.issn.1674－5795.2015.01.06

2014－07－15;

2014－11－09

張杰梁(1981－)，男，工程師，碩士，國家一級注冊計量師，主要從事電磁計量測試技術的研究。