一种用于电流互感器校验的新型电子式负载箱

潘宝祥，顾红波

(1. 江苏省计量科学研究院，江苏 南京210007;2. 南京丹迪克电力仪表有限公司，江苏 南京210049)

0 引言

电流互感器是电能计量装置内的重要计量器具，国家将测量用电流互感器作为强制性检定项目，需要根据JJG313 －2010 《测量用电流互感器》检定规程对其检定误差［1］;根据国网公司颁布的Q/GDW572 －2010 《计量用低压电流互感器技术规范》规定，需要对电力公司的每只计量用低压电流互感器进行误差检定。理论分析表明，电流互感器的误差与其所接的负荷成正比［2］，因此在进行误差测试时必须带相应负载进行测试。互感器检定装置中主要采用电阻及电抗器模拟电流互感器的二次负载，通过单片机控制继电器或者开关实现负载的输出;互感器校验装置将互感器的误差测量校验出来［3］。这种技术方案常会出现以下问题:继电器或开关接触电阻发生变化，电磁元件发生误差变化;送检合格率低，返修率偏高;档位固定，无法升级;测量特殊功率因数或负荷的互感器则无法实现［4］。由于原有电工式负载箱容量偏小，因此对低压电流互感器磁饱和裕度试验也无法实现［5］。本文提出一种解决方案，检定电流互感器采用电子源式电流负载箱，可以任意设置负载大小、功率因数，系统自身带有负反馈检测功能，可以保证二次负载的准确度达到±3%以上，也可以实现电流互感器磁饱和裕度试验的要求。方案提高了互感器负载箱的准确度及稳定性，提高了其测试效率，降低了返修率。

1 理论依据

图1 新技术与常规阻抗电路比较

2 系统架构设计

电流互感器电子式负载箱主要以ARM7 内核的人机对话处理器以及DSP (数字信号处理器)为核心的测控单元。系统架构如图2 所示。

工作流程介绍:仪器受上位机指令或人工录入的方法设置互感器负载容量以及功率因数;仪器将电流互感器的二次电流I·通过电阻R 进行采集，同相放大和90°移相放大;DSP 将同相及正交相数字量信号输出至D/A 转换器;两路D/A 输出模拟量合成一个相位在0°～360°之间、幅度大小任意可调的工频电压信号，该电压信号经过功率放大电路输入至隔离变压器T;隔离变压器输出的电压值通过DSP 数字信号处理器通过A/D 采样再次反馈至DSP 监测输出的容量是否和设定值相符。若不符则进行负反馈调整，直至与设定值偏差在1%范围内;实现电流互感器负载的设置。

图2 电子负载箱系统结构图

3 系统硬件设计

3.1 ARM7 系统设计

系统采用三星ARM7TDMI 内核的S3C44B0 嵌入式系统架构实现人机对话，计算机联机，数据存储功能，其设计如图3 所示。

图3 ARM7 系统框图

S3C44B0 是采用160LQFP 封装的16/32 位处理器(66 MHz)。提供了丰富的内置部件和全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而使系统的成本最小化。

系统通过RTL8019 网口芯片与DSP 数据通信，将基本参数与操作指令发送给DSP，DSP 将测量数据送回至ARM，最后将测试数据显示在LCD 上。

3.2 DSP 设计

使用DSP 数字信号处理器实现模拟量的测控，以实现电流互感器负载箱。

TMS320F206 是采用100TQFP 封装的16 位DSP，DSP 将ARM 发来的电流负载箱参数指令接受，将内部存储器预存的D/A 数据进行计算，得到要求输出的电流负载箱对应下的同相与正交相D/A 数据。将两个D/A 数据发给D/A 转换器后合成信号至功放，功放通过隔离变压器最终输出至电流互感器检定线路。

3.3 D/A 系统设计

采用16 位AD7849BRZ 电压基准D/A 转换器。转换器通过ROFS 引脚的反馈，可以实现2 象限的模拟量输出，采用两片转换器且采用相差90°的基准信号，可以实现4 象限的模拟信号输出，因此设计的负载箱不仅实现阻性、感性负载，还能实现容性和负阻性负载。此转换器采用同步串口数据通信，可以多个AD7849BRZ 进行级联，实现单条同步串口线控制多个转换器，采用高速光电隔离芯片后就能够将功放部分与数字信号部分及模拟采样部分隔离，具有高可靠性的特点。

4 性能测试

测试方法及判断负荷是否合格的依据是JJF1264 －2010 《互感器负荷箱校准规范》，负荷的有功分量与无功分量要求同时不超过额定有功分量与无功分量的±3%。校准线路图［6］如图4。

图4 电流互感器负荷箱校准线路图

图4中，Z 为被校电流互感器负荷箱;I1，I2为电流源输出端子;U1，U2为电压测量端子。在江苏省计量科学研究院采用最大允许误差为±0.5%负载箱校验装置对研制的5A 电子式负载箱在5%In～120% In进行校准(In为负载箱额定电流)，负荷为10 VA 和5 VA(cosφ =0.8)，相应Z0为0.4 Ω 和0.2 Ω，校准数据见表1。表1 中，标称值为电子式负载箱设定值，实际值为负载箱校验装置测得值。

表1 5A 电流互感器负载箱测试数据( 有功分量标称值已扣除外接导线0.06 Ω)

表1 中，误差ε 为负荷有功分量示值R 的相对误差εR的计算公式为

式中:R0为负荷有功分量示值的标称值，R0= Z0cosφ(Z0为被校负荷示值的标称值，cosφ 为功率因数);Rx为负荷有功分量示值的实际值(与规定外部连接导线电阻0.06 Ω 一并计算)。

表1 中，误差ε 为负荷无功分量示值X 的相对误差εX的计算公式为

式中:X0为负荷无功分量示值的标称值，X0= Z0sinφ;XX为负荷无功分量示值的实际值。

负荷的有功分量与无功分量要求同时不超过额定有功分量与无功分量的±3%，由表1 可以看到:设定的额定负荷与实测负荷误差不超过±2%，并且可以设置任意容量和功率因数。

5 结论

新型全电子电流负载箱可以在试验室的互感器校验装置中使用，也可以在现场校验互感器中应用，可以有效降低负载箱的故障率，负载档位以及功率因数可以任意设置，可以实现电流互感器磁饱和裕度的校验。通过试验室检定电流互感器，使用全电子电流负载箱在互感器检定过程中测得互感器的误差与使用常规电流互感器负载箱误差相一致。具有很好的推广意义。

［1］国家质量监督检验检疫总局.JJG313 －2010 测量用电流互感器检定规程［S］. 北京:中国计量出版社，2011.

［2］ 赵修民. 电流互感器［M］ . 太原:山西人民出版社，1980.

［3］周秉时. 组合互感器检定方法探讨［J］. 计测技术，2011，31 (4):32 －34.

［4］单海峰，卜正良，舒乃秋. 互感器测试中全电子式负载箱的研制［J］. 电测与仪表，2002 (12):19 －21.

［5］国家质量监督检验检疫总局.JJG1021 －2007 电力互感器检定规程［S］. 北京:中国计量出版社，2007.

［6］国家质量监督检验检疫总局.JJF1264 －2010 互感器负荷箱校准规范［S］. 北京:中国计量出版社，2010.