韋 建 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

5 kA直流大電流比例標(biāo)準(zhǔn)

韋 建 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

介紹了直流大電流標(biāo)準(zhǔn)裝置及檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由直流電源、電流比例標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)字電壓表組成，測(cè)量范圍為0～5 kA，擴(kuò)展不確定度為3×10-5，并對(duì)整套裝置的擴(kuò)展不確定度進(jìn)行全面的分析。

直流大電流；檢定系統(tǒng)；不確定度

0 引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，使用直流電流的單位和設(shè)備越來越多，冶金、化工、國(guó)防、航空、鐵路等工業(yè)部門直流用電量在全國(guó)總用電量中占很大比重。同時(shí)，隨著電力技術(shù)的提高，我國(guó)直流輸電線路的迅猛發(fā)展，直流電流的測(cè)量也日益顯示出其重要性。對(duì)直流大電流的精確測(cè)量，國(guó)內(nèi)外一直都是采用基于磁調(diào)制器為核心的直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)（也稱直流電流比較儀）來完成。本文介紹的是在直流大電流測(cè)量裝置的同類產(chǎn)品中，除了具有測(cè)量直流電流時(shí)所具有的高精度外，還能作為穩(wěn)流源中的電流采樣器,從而使穩(wěn)流源也具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)的組成與測(cè)量原理

主要由5 kA可調(diào)直流電源與250 A高穩(wěn)定度伺服線性直流電源以及5 A ~ 5 kA直流比例標(biāo)準(zhǔn)器等組成。其穩(wěn)流結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

用電流比較儀對(duì)穩(wěn)定的電流I1進(jìn)行采樣，將此信號(hào)控制伺服電源，從而使電流I1穩(wěn)定。當(dāng)測(cè)量250 A及以下電流時(shí)，把伺服電源、電流比例標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)電阻、數(shù)字電壓表作為一套測(cè)量直流電流的標(biāo)準(zhǔn)裝置（如圖2所示），其中伺服電源提供電流輸出能力，電流比例標(biāo)準(zhǔn)按一定的比例變?yōu)樾‰娏餍盘?hào)，小電流信號(hào)再通過滿足條件的標(biāo)準(zhǔn)電阻，這樣數(shù)字電壓表采集標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓信號(hào)，計(jì)算得到伺服電源輸出電流的標(biāo)準(zhǔn)值。同樣的通過數(shù)字電壓表采集分流器兩端的電壓信號(hào)，計(jì)算得到被檢電流示值。當(dāng)測(cè)量250 A以上電流時(shí)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器由5 kA可調(diào)直流電源、伺服電源、電流比例標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)電阻、數(shù)字電壓表等組成（如圖3所示）。

圖1 5 kA高穩(wěn)定度直流電流源

圖2 250 A及以下標(biāo)準(zhǔn)裝置原理

圖3 5 kA標(biāo)準(zhǔn)裝置原理

2 關(guān)鍵設(shè)備

2.1 5 kA高穩(wěn)定度直流電流源

直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了10-5的數(shù)量級(jí)，因此就需要一臺(tái)高穩(wěn)定輸出的直流電源，以減少電源的不穩(wěn)定帶來的不確定度影響。在大電流穩(wěn)流技術(shù)中，影響電流穩(wěn)定的最大問題就是采樣部分。普通的電阻采樣，最多幾十安培，隨著溫度的增加，阻值變化，從而影響電流輸出的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)是交流輸入電壓經(jīng)過整流電路濾波后，得到較高直流電壓?！白冾l轉(zhuǎn)換”將高壓直流逆變成約20 kHz的高頻交流，經(jīng)高頻變壓器變換到次級(jí)，再經(jīng)高頻整流濾波得到需要的輸出電壓?？刂齐娐穼?duì)輸出電壓和輸出電流取樣，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定。試驗(yàn)證明穩(wěn)定度可達(dá)2×10-5，是理想的采樣方式。

2.2 直流大電流比例標(biāo)準(zhǔn)器

對(duì)直流大電流的準(zhǔn)確測(cè)量，一直都是采用基于磁調(diào)制器為核心的直流電流比例標(biāo)準(zhǔn)來完成。直流電流比較儀除了具有測(cè)量直流電流時(shí)所具有的高精度外，還能作為穩(wěn)流源中的電流采樣器,從而使穩(wěn)流源也具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。它是以磁調(diào)制器作為核心，通過檢測(cè)磁芯的直流磁勢(shì)，利用電子線路產(chǎn)生一反饋電流I2，使鐵芯的直流磁通為零（圖4）,即通過從動(dòng)源的作用，使初、次級(jí)形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，能自動(dòng)維持初、次級(jí)磁勢(shì)平衡。儀器具有噪聲低、靈敏度高、量限寬，從10 % ~ 100 %的量限范圍內(nèi)均能保持準(zhǔn)確度。

圖4 磁調(diào)制器工作原理

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

式中： fx— 被校比較儀的比值差；

fp— 測(cè)差儀所測(cè)得被校比較儀的比值差；

Δf1— 標(biāo)準(zhǔn)比較儀不準(zhǔn)的影響；

Δf2— 測(cè)差儀的影響量；

Δf3— 負(fù)載電阻不準(zhǔn)的影響量；

Δf4— 環(huán)境電磁場(chǎng)干擾的影響量；

Δf5— 數(shù)值修約的影響量

1）重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1；

2）由標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2；

3）測(cè)差儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3；

4）負(fù)載電阻引入的不確定分量u4；

5）環(huán)境電磁場(chǎng)干擾引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5；

6）數(shù)值修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1可以通過連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量列進(jìn)行評(píng)定，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，重復(fù)測(cè)量中，可認(rèn)為供電電網(wǎng)波動(dòng)、連接點(diǎn)接觸電阻變化等因素引起的不確定度影響均已包含在u1的分量中，不再對(duì)這些分量進(jìn)行單獨(dú)評(píng)定。以10%額定電流校準(zhǔn)點(diǎn)為例，在重復(fù)性條件下進(jìn)行n =10次測(cè)量，得到表1的數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)量列

日常工作中為單次測(cè)量，則：

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

校準(zhǔn)時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)比較儀為0.002級(jí)，近似為均勻分布，k =，用B類方式評(píng)估，則：

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

依據(jù)規(guī)范，校準(zhǔn)使用測(cè)差儀測(cè)量差值電流，測(cè)差儀不準(zhǔn)所引入的誤差為被校比較儀誤差的誤差。測(cè)差儀為2級(jí)，近似為均勻分布，k =，按B類方式評(píng)估，則：

3.3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

被校比較儀的負(fù)載電阻不準(zhǔn)所引入的誤差為被校比較儀誤差的誤差。負(fù)載電阻為0.01級(jí)，近似為均勻分布，k =，按B類方式評(píng)估，則：

3.3.5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境電磁場(chǎng)干擾不大于被校比較儀誤差的1/10，近似為均勻分布，k =，按B類方式評(píng)估，

則：

3.3.6 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6

規(guī)范規(guī)定：誤差數(shù)值修約單位為被校比較儀誤差的1 / 10 ，根據(jù)四舍五入修約規(guī)則，由于修約而引入的誤差為修約單位的1/2 ，其不確定度屬B類分量，近似為均勻分布，k =，按B類方式評(píng)估，則：

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

根據(jù)以上分析，可列出標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量表，見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.5 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

4 結(jié)語

直流大電流標(biāo)準(zhǔn)及檢定系統(tǒng)可以開展5 kA及以內(nèi)的直流大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻、分流器、直流大電源和大電流表的檢定工作，基本滿足了目前計(jì)量行業(yè)對(duì)直流大電流的計(jì)量需求。

[1] 全國(guó)電磁計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 1069-2011 [S]. 北京: 中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

[2] 全國(guó)法制計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1059.1-2012[S]. 北京: 中國(guó)質(zhì)檢出版社, 2012.

[3] 揭秉信. 大電流測(cè)量[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4] 劉桂新. 關(guān)于大電流測(cè)試問題的研究[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2001，21（5）：41-44.

DC heavy current 5 kA proportion standard

Wei Jian
（Jiangsu Institute of Metrology,Nanjing）

This paper introduces one kind of DC heavy current standard device and verification system which is composed mainly of DC power supply, current proportion standard, standard resistance and digital voltage meter whose measurement ranges from 0～5 kA DC current and expanded uncertainty is 3×10-5. Meanwhile, a comprehensive analysis of this system′s expanded uncertainty is given.

DC heavy current; verification system; uncertainty