直流大電流源校準方法探討

摘要：隨著直流輸配電技術的發展，直流大電流源已廣泛應用在各種測試場合，其量值準確可能影響設備的使用可靠性，從而影響大電流試驗的有效性。文章介紹了幾種直流大電流源的校準方法及校準過程。通過實例試驗，計算分析試驗結果數據，并對校準結果進行測量不確定度評定分析。

關鍵詞：直流大電流；校準方法；光纖電流傳感器；不確定度評定

Discussion on Calibration Methods of DC High Current Sources

CHEN Jianzhi，HU Xiaoying，RUAN Yujiao，CUI Tong

（Xiamen Institute of Measurement and Testing， Xiamen 361004， Fujian， China）

Abstract：With the development of DC transmission and distribution technology， DC high current sources have been widely used in various test occasions. Its accuracy may affect the reliability of equipment and the effectiveness of high current test. This paper introduces the calibration methods and processes of several DC high current sources. Through the example tests， the test result data are calculated and analyzed， and the measurement uncertainty of the calibration result is evaluated and analyzed.

Key Words： DC high current; Calibration method; Optical fiber current sensor; Evaluation of uncertainty

0引言

隨著新能源技術及特高壓技術快速發展，國家西部大開發戰略推進及西電東送工程、南北互聯的進展，我國正在加快直流電網建設。相對于交流電網，直流電網具有造價成本低、線路損耗小、系統穩定、運行可靠等優點，能大幅提升我國電網輸送能力。直流電技術不斷發展，在多種生產及應用場合需用到直流大電流源，如鐵路運輸、新能源儲能設備、電器開關直流試驗系統、工業直流電源柜、充電樁等。直流電源輸出電流的準確性直接影響設備及實驗的可靠性，因此需定期校準，確認其計量特性。直流大電流源輸出電流可達幾萬甚至幾十萬安，對于1000A以下的直流電源，可依據JJF 1597-2016《直流穩定電源校準規范》進行校準。但是對于更高的輸出，該技術規范規定的方法并不完全適用，而目前還未見現行有效的國家校準規范。文中結合直流大電流源的工作原理，提出幾種校準方法供參考。

1 直流大電流源的工作原理

直流大電流源一般由交流電源輸入，經濾波整流逆變轉換成直流輸出，再通過穩流、保護線路處理等，輸出符合性能要求的直流電流，電流源包含功率放大模塊、升流裝置、穩流裝置等。在某些輸出電流較大的場合，采用的是多路直流電流源串并聯使用，提高輸出功率。一般直流大電流源要求具有長時間穩定輸出能力，所以對電流輸出有短時穩定性要求，穩定性及輸出時間要求具體可參考使用要求及設備廠家說明書。直流大電流源電流輸出紋波不能過大，否則會降低電流源的效率，產生諧波，甚至造成浪涌電流，所以一般要求電流源輸出電流紋波至少小于3%。直流電流輸出還存在負載效應穩壓，因此某些實驗場合可能還需要考核其帶載能力。

2 校準方法

直流大電流源主要是輸出較大電流，在不能完全采用低電流情況下的校準方法進行。文中結合現有電流測試技術，提出直流大電流表法、直流分流器法、直流互感器/直流比較儀法及光纖傳感器法等校準大電流的方法。

2.1 直流大電流表法

直流大電流表法校準接線如圖1所示。要求根據被校直流大電流源測量準確度及使用要求，選擇合適的直流大電流表，直流大電流表的最大允許誤差至少應優于被校電流源最大誤差的1/3。

校準時，將直流大電流表穿心串接在測量回路，直流大電流源輸出電流，直接讀取直流大電流表的電流值。根據校準點輸出電流值Ix、直流大電流表顯示電流I0，換算出該校準點的測量誤差：

2.2分流器法

直分流器法校準接線如圖2所示。根據被校直流大電流源使用要求，選擇合適的直流分流器，一般可選直流分流器的準確度等級至少優于被校電流源最大允許誤差的1/3，同時所選直流分流器的溫度系數和額定功率需滿足測量回路要求。直流分流器二次輸出電壓一般小于150mV，因此選擇直流電壓表應確保測量點的最大允許誤差至少為直流分流器準確度等級的1/3～1/5，盡可能減小直流電壓表帶來的校準不確定度。

校準時，將直流分流器串接在測量回路，直流大電流源輸出電流，讀取直流電壓表的電壓值。根據校準點輸出電流值Ix、直流電壓表顯示電壓U及分流器電阻值R0，換算出該校準點的測量誤差：

2.3直流互感器/直流比較儀法

直流互感器/直流比較儀法校準接線如圖3所示。根據被校大電流源使用要求，選擇合適的直流互感器/直流比較儀，直流互感器/直流比較儀的準確度等級至少優于0.01級，且優于被校大電流源準確度等級的1/5。直流互感器/直流比較儀二次輸出電流一般為1A、5A，取樣電阻選擇需能夠匹配，電阻準確度等級至少為0.01級，直流電壓表的測量誤差應不大于被校電流誤差的1/5。

校準時，將直流互感器/直流比較儀穿心串接在測量回路中，直流大電流源輸出電流，讀取取樣電阻上直流電壓表的電壓值，根據校準點輸出電流值Ix、直流電壓表顯示電壓U、取樣電阻值R以及直流互感器/直流比較儀的變比k，換算出該校準點的測量誤差：

2.4 光纖電流傳感器法

光纖電流傳感器法校準接線如圖4所示。采用光纖電流傳感器校準大電流源，相對于前述幾種方法，由于其線圈可開口，輸出大電流回路可不斷開，接線更方便，且測試電流范圍更廣，可達幾百kA，可實時采集電流波形，但是其測量準確度相對較低，一般只有0.2級。因此最大輸出電流5000A以上，準確度等級較低的大電流場合適用光纖電流傳感器進行校準。

校準時，將光纖線圈穿心繞在電流測量回路，直流大電流源輸出電流，通過光纖電流傳感器測量系統的采集波形計算，得出實際電流值，根據校準點輸出電流值Ix、測量系統測試電流I0，換算出該校準點的測量誤差：

3 校準過程

校準時嚴格按照大電流源及標準設備使用說明接線，注意銅排或軟排接線卡緊，設備可靠接地，嚴禁開路輸出。

校準時，可根據電流源輸出量程，從10%～100%（或接近100%）之間線性選取5～10個點進行校準，也可根據用戶需求適當增加校準點。根據誤差計算公式對校準結果進行計算，判斷是否滿足設備技術指標要求或用戶使用要求。

對于電流短時穩定性的考核，按設備規定穩定時間范圍，選取接近100%量程點輸出電流，等間隔連續測量5～10個點，取最大電流值Imax和最小電流值Imin以及計算平均值。電流短時穩定性δ按式（5）計算，結果應不大于設備技術參數要求。

部分直流大電流源有輸出電流持續時間要求，需要判斷其輸出電流持續時間的準確度?？捎貌ㄐ畏治鰞x，采集標準器的二次輸出電壓信號波形，也可采用光纖電流傳感器測量系統直接采集波形，分析波形參數，判斷時間誤差。假設直流大電流源輸出時間為Tx，分析儀或測量系統測量結果T0，則時間誤差為：

4實驗結果及數據處理

4.1 校準實例

采用光纖電流法，以0.2級光纖傳感器測量儀校準一臺輸出量程為6kA的直流大電流源，電流源的最大允許誤差±2%。根據用戶需求進行校準，校準結果數據如表1所示。

4.2 測量不確定度的評定

以1kA校準點電流輸出為例，進行測量結果不確定度評定。由光纖電流法的測量模型可知，不確定度主要由被測量結果的重復性及光纖電流傳感器測量儀的準確度等引入。

4.2.1 被測量重復性引入的標準不確定度1的評定

在重復條件下，設定輸出1kA電流，連續讀取10次電流顯示值，結果分別如下：（單位：kA）1.0094、1.0091、1.0099、1.0094、1.0098、1.0090、1.0101、1.0089、1.0092、1.0095。

用貝塞爾公式計算單次實驗標準差：

實際校準中以單次測量結果作為最終測量結果，故重復性引入的標準不確定度1為：

4.2.2光纖電流傳感器引入的標準不確定度

2評定

光纖電流傳感器測量儀最大允許誤差為±0.2%。則1kA電流點標準器的允差為±0.002kA。采用B類方法進行評定，認為區間內服從均勻分布，包含因子取，則光纖電流傳感器引入的標準不確定度2為：

4.2.3 擴展不確定度評定

合成上述兩項，得出合成不確定度：

5 結語

直流大電流源廣泛應用在各行業領域中，尤其用在開關電器的測試實驗中，其量值準確可靠將影響實驗的有效性。文章介紹了幾種直流大電流源的校準方法供同行參考。

參考文獻

[1]直流穩定電源校準規范：JJF 1597-2016[S].

收稿日期：2022-03-18

基金項目：廈門市市場監督管理局科技項目（XMSJ202206）

作者簡介：陳建志，男，廈門市計量檢定測試院，高級工程師，碩士

胡曉英，女，廈門市計量檢定測試院，高級工程師

阮育嬌，女，廈門市計量檢定測試院，高級工程師，博士

崔" "潼，男，廈門市計量檢定測試院，高級工程師，碩士