一种高准确度电子补偿式电流比较仪

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1、第44卷 第504期 电测与仪表 Vol.44 No.5042007年 第12期 Electrical Measurement & Instrumentation Dec.2007一种高准确度电子补偿式电流比较仪*李鹤1，Enrico Mohns2，雷民1，赵伟3，章述汉1，胡浩亮1（1. 中国电力科学研究院，武汉 430074；2. 德国物理技术研究院，德国 布伦瑞克 D-38116；3. 清华大学 电力系统国家重点实验室，北京 100084）摘要：电流互感器（CT）被广泛应用于电流的比例变换，但其准确度一般难以优于0.01%。具有更高准确度的电流比例变换装置，例如双级电流互感器或补偿式电流

2、比较仪，由于使用上的限制，一般只用于工频电流比例的量值溯源或量值传递。针对于此，研发出一种利用电子线路补偿铁心励磁电流的即所谓电子补偿式电流比较仪（ECCC）。文中阐述这种电流比较仪的基本原理，理论分析其误差性能，并进行了误差校准试验。试验结果表明，该ECCC的准确度满足0.000 5级要求，既可作为一种高准确度的电流比例标准，也可用于工频电流的高准确度测量。关键词：电流互感器；电流比较仪；电流比例；校准；误差；高准确度；电子补偿中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2017）19-0000-00A high accuracy current comparato

3、r with electronic compensationLi He1, Enrico Mohns2, Lei Min1, Zhao Wei3, Zhang Shuhan1, Hu Haoliang1(1. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China. 2. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig D-38116, Germany. 3. State Key Laboratory of Power System, Tsinghua University

4、, Beijing 100084, China)Abstract：: Current transformer (CT) has been widely used in current ratio transformation. Normally, the its accuracy cant hardly exceedexceeds 0.01%. Some more accurate current ratio transformer devices, such as two-stage current transformer and compensated current comparator

5、, can only be used in the traceability or distribution area of current ratio quantity of power frequency due to some limitations. In view of this situation, a current comparator with electronic compensation (ECCC) using electronic circuit to compensate the magnetizing current of the core was develop

6、ed. The principle, theoretical analysis of the error, and the calibration tests are presented in the paper. The results showed that the ECCC fulfills the requirements of the accuracy class of 0.000 5. It can be used either as a high accuracy current ratio standard, or a normal CT in power frequency

7、current measurement where high accuracy is needed. Keywords：: CT, current comparator, current ratio, calibration, error, high accuracy, electronic compensation - 1 -0引 言电流互感器（CT）是一种将被测电流转换为量值范围确定的二次电流（额定为5 A或1 A）的电流比例变换装置。为保证电流互感器电流比例量值的准确性，需要用更高准确度的电流比例标准对其进行检定。常用的电流比例标准，按准确度等级从低到高排列，有单级电流互感器、双级电流互

8、感器和补偿式电流比较仪等1。单级电流互感器的准确度等级一般为0.01级0.02级；双级电流互感器一般为0.001级0.002级；补偿式电流比较仪的准确度最高，其电流比例的稳定性一般可达到ppm或亚ppm量级2。双级电流互感器或补偿式电流比较仪，为了实现极高准确度的电流比例，接线复杂，使用上存在诸多限制。无疑，像电流互感器一样使用简单的高准确度电流比例变换装置将具有很大的吸引力。目前国内有少量机构在使用国外某公司生产的有源电流比较仪。它利用电子电路自动向负载注入误差电流以补偿励磁误差，比差小于0.001 %，角差小于0.05；价格相对昂贵。针对上述问题和不足，文章作者研制了一种利用电子电路自动对

9、铁心进行励磁的电流比较仪（Electronic Compensated Current Comparator, 以下简称ECCC）。文中首先简述传统电流比例标准的原理，在此基础上介绍ECCC的工作原理，理论分析它的误差，并阐述所实施的相应校准试验。1基本原理理想电流互感器没有误差，其磁动势平衡方程为： (1)式中 I1、I2表示一次和二次电流，N1、N2表示一次和二次绕组匝数，加粗及斜体表示物理量的复数形式。实际的电流互感器的二次电流要克服绕组内阻抗及二次负荷，需要二次绕组提供感应电势。为此，需消耗部分一次电流用于铁心励磁，从而产生励磁误差34。磁动势平衡方程为： (2)式中 Im为励磁电流。

10、如果电流互感器的比例绕组绕在两级铁心上，且第二级铁心上绕制与二次绕组匝数相等的补偿绕组（NB匝），则构成了双级电流互感器，如图1所示。图1 双级电流互感器原理图Fig.1 Fundamental diagram of Twotwo-Stage stage current transformer第一级铁心的磁动势平衡方程与式(2)相同。第二级铁心受到所有电流的作用，磁动势平衡方程为： (3)式中 Im2为第二级铁心折算至一次的励磁电流。由于NB=N2，式(3)改写为： (4)它与式(2)具有相同的形式。可见，如果将二次电流与补偿电流叠加在一起，并作为双级电流互感器的二次电流，误差将由第二级铁心励

11、磁电流Im2决定。而第二级互感器工作在较低磁密下，励磁电流远小于第一级铁心的励磁电流，误差因而大幅降低。使用双级电流互感器时，补偿绕组两端的电压应控制在mV级，故式(4)中的两个电流不能直接叠加，一般在互感器校验仪中通过电磁耦合方式叠加，用于电流比例的量值传递。在双级电流互感器的第二级铁心上增加检测绕组即构成补偿式电流比较仪，具有更高的准确度，但使用上更复杂，相关文献较多57，文中不再细述。将单级电流互感器的励磁作用通过电子电路放大，并借鉴双级电流互感器和补偿式电流比较仪结构，即构成所述ECCC的基本原理，如图2所示。图2 电子补偿式电流比较仪原理图Fig.2 Fundamental diag

12、ram of ECCC图2中，在第一级和第二级铁心（或遵循惯例称为主铁心）上分别均匀绕制检测绕组WD和补偿绕组WB，然后，合并两个线包，再依次均匀缠绕比例绕组。为了降低比例绕组的漏磁场或外界杂散磁场对主铁心的影响，在检测绕组外还加装上一层磁屏蔽铁心Cs。检测绕组的输出端接电子电路（核心为放大器A），电子电路的输出端接补偿绕组。ZB是二次绕组的负载。Im为电子电路输出的励磁电流。由于电子电路的输入阻抗很高，检测绕组电流几乎可忽略，仅感应第二级铁心内的磁通，产生检测电压。补偿绕组流过的电流不作用于第二级铁心，因此，检测电压的大小与比例绕组的安匝差成正比。检测电压经过电子电路放大，驱动补偿绕组，使第

13、一级铁心励磁，用于感应二次电流。电子电路的增益非常大，检测电压接近于零，这也意味着比例绕组的安匝之差也接近为零，即： （4）由上式可见，该ECCC利用辅助电子电路，实现了比例绕组电流的比较，同时，比例绕组几乎不再消耗电流进行励磁，因此，它实质上，相当于一个有源电流比较仪。2误差分析2.1 增益误差分析增益误差前，先忽略磁性误差和容性误差（忽略原因见2.2）。由于电子电路增益并非无穷大，ECCC工作时，检测绕组上存在一个mV量级的检测电压。参见公式（4），该检测电压由比例绕组的安匝之差产生，因而产生了ECCC的增益误差。ECCC的复数误差为： （5）定义检测电压与比例绕组安匝之差的比值为检测绕组

14、的灵敏度，用符号Zs表示。则检测电压为： （6）电子电路的输出电压是： （7）式中 A为电子电路的增益。联立式（7）和式（5），得到： （8）为了与后文描述的试验进行对比，下面将分别分析二次负载阻抗的模分别为46 m和16 m时的理论增益误差。ECCC二次负载阻抗为46 m、二次输出电流为5 A时（|I1N1|=100AT），电子电路的输出电压UO7 V。实测50 Hz下，检测绕组的灵敏度Zs5 。补偿电路在50 Hz下的理论增益为A12 000。将以上参数代入式（8），可估算出在46 m负载下的误差模值|11.210-6。这个误差，包含了比差和角差。ECCC二次负载阻抗为16 m、二次输出电

15、流为5 A时（|I1N1|=100AT），电子电路输出电压UO4.5 V。同上，此条件下可估算出ECCC的误差模值|20.810-6。式（8）同时揭示了可降低增益误差的几种方法：（1）减小二次绕组的内阻抗和外接负载，可减小补偿电路的输出电压UO；（2）增大电子电路的增益A；（3）选用更高起始磁导率的铁磁材料、增大截面积、增加检测绕组匝数，以提高主铁心的灵敏度Zs；（4）增大额定安匝数I1N1。2.2 磁性误差和容性误差根据安培环路定理，当流过主铁心窗口的实际安匝为零时，检测绕组的感应电压也为零。但是，主铁心磁导率沿圆周的不均匀分布和各向异性，破坏了该定理的前提条件，这是电流比较仪存在磁性误差的

16、原因。一次绕组非均匀分布，特别是单匝一次绕组情况下，漏磁场将增大，磁性误差也会增大。在ECCC的设计中，比例绕组在铁心上均匀绕制，降低了比例绕组电流在主铁心上产生的漏磁。另外，加装磁屏蔽铁心，可进一步大幅削弱漏磁的影响。对于（5100）A/5A无磁屏蔽、绕组均匀绕制的电流比较仪而言，准确度一般可达210-5，磁性误差在110-5量级1。因此，合理的估计，研发的这款ECCC的磁性误差小于110-6。比例绕组中存在容性泄漏电流，包括比例绕组层间、比例绕组对地，以及比例绕组匝间的容性泄漏，但容性泄漏电流并未作用于主铁心，由此产生了容性误差。因此，容性误差与绕组分布电容、绕组电位分布等有关。绕组匝数越

17、多，绕组内阻抗越大，其容性误差也越大。一般地，额定变比大于1，且一次绕组匝数小于100的电流比较仪，其容性误差约在10-7数量级1。普通电流比较仪的额定安匝数为（3001000）AT，而这款ECCC的额定安匝数为100 AT，即大大减少了绕组匝数，故，其容性误差应小于110-6。2.3 零位误差环境工频磁场，可能通过耦合进入ECCC的主铁心，另外，电子线路的电源也可能引入工频电磁干扰。即使被测一次电流为零，这些干扰也会在ECCC的二次绕组中产生工频电流，被称为ECCC的零位误差。经实测，该电流的大小为0.16 A。粗略估计，当二次电流为5 A时，该电流对误差的影响约为310-8。而在1%工作点

18、下，其对误差的影响达到310-6。在误差曲线上，它的影响表现为在低端上翘或下跌，见图6和图7。在对准确度要求非常高的量值溯源或量值传递试验中，可以通过翻转电源极性、测试两组数据并取平均值的办法，来基本消除该误差的影响。2.4 线性误差由于制作主铁心用铁磁材料的磁导率和磁滞损耗角会随磁通密度的变化而变化，造成电流互感器的比差和角差是非线性的。作者研制的ECCC中，采用了高增益电子电路，使其主铁心在整个工作范围始终维持在极低的磁通密度状态下，故可认为磁导率和磁滞损耗角基本不变，因而其误差与一次电流保持了非常好的线性关系；以负载阻抗为46 m时为例，在1%120%测量范围内，其5 A/5 A电流比例

19、（修正了零位误差）的比差的最大变化为0.0310-6，角差的最大变化是0.13 rad。3误差校准试验对所研制的这款ECCC的不同变比和不同负载下的性能，实施了误差校准试验。3.1 对5 A/5 A的自校准对于5 A/5 A变比，可采用如图3所示的自校线路进行校准试验。图3 电流互感器自校线路8Fig.3 Self-calibration circuit of current transformer未接电子电路（无源模式）条件下的ECCC，就是一台普通的CT，利用自校线路，分别校准负载阻抗为46 m和16 m下的误差，试验测得的比差和角差的特性曲线，如图4和图5所示。可见，工作在无源模式下的E

20、CCC的准确度，仅满足0.1级准确度的要求。图4 ECCC 5A/5A比差曲线（无源模式）Fig.4 Ratio error curves of ECCC at 5A/5A (passive mode)图5 ECCC 5A/5A角差曲线（无源模式）Fig.5 Phase error error curves of ECCC at 5A/5A (passive mode)再接入电子电路，即让ECCC工作在有源模式下，分别校准负载阻抗为46 m和16 m下的误差。为了消除工频磁场干扰（零位误差）的影响，在每个负载条件下，均翻转电源极性、做了两组测试，并对测试数据取平均值。全部结果如图6和图7所示。

21、图6 ECCC 5A/5A比差曲线（有源模式）Fig.6 Ratio error curves of ECCC at 5A/5A (active mode)图7 ECCC 5A/5A角差曲线（有源模式）Fig.7 Phase error curves of ECCC at 5A/5A (active mode)消除工频磁场干扰后的误差数据如表1所示。表1 ECCC 5A/5A校准结果Tab.1 Calibration results of ECCC at 5A/5A测量点(%)负载：16 m负载：46 m比差/10-6角差/rad比差/10-6角差/rad10.710.471.230.9352

22、0.6950.4351.2250.87550.7050.441.2350.825100.70.431.230.825200.690.431.2350.825500.690.4251.2350.8151000.690.431.2350.8151200.690.431.240.8152000.690.43/相比于无源模式，在有源模式下，ECCC除误差大幅减小外，且在1%至200%测量范围（负载阻抗为46 m时，最高至120%额定电流）内，其比差和角差均基本不变，表现出电流比较仪的突出优点；而且，即使不扣除零位误差，这款ECCC在任意测量点下的误差，均不会超过510-6或5 rad。根据表1的数据，

23、并综合比差和角差，可以算得，在16 m和46 m负载下，ECCC的误差模值分别为0.8110-6和1.4810-6。该结果与文中第二节估算的理论增益误差十分接近；同时也证明了，这款ECCC的磁性误差和容性误差的确非常小，几乎可忽略不计。3.2 对其他变比的校准对绕组进行不同的配置，这款ECCC可提供（5A、10A）/（1A、1.25A、1.66A、2.5A、5A）等不同的电流变比。采用另一套不同原理的互感器校验仪（测量不确定度为0.510-6, 0.5 rad, k=2）及校准线路对这款ECCC的其他电流变比进行了校准，结果如表2所示，一次电流均为5 A。表2 ECCC其他变比校准结果Tab.

24、2 Calibration results of other ratios of the ECCC变比负载/m比差/10-6角差/rad5A/5A150.40.95A/2.5A160.70.95A/1.67A160.60.55A/1.25A401.10.85A/1A401.40.710A/5A160.50.910A/2.5A160.80.910A/1.67A400.70.810A/1.25A580.80.710A/1A561.30.7由表1和表2提供的校准试验结果可见，两种不同校准线路下5A/5A（负载阻抗16 m下）的比差测量结果只相差0.2910-6，角差相差0.47 rad，均在测量系统

25、的不确定度范围内。4结束语研发出一种高准确度电子补偿式电流比较仪（ECCC），具体地，通过电子线路检测比例绕组的安匝平衡，并自动补偿电流互感器的励磁电流，使得比例绕组的安匝之差保持在极低的量值，因而将普通电流互感器从互感模式转换为比较仪模式，使其准确度得以大幅提升；还通过采取磁屏蔽和低额定安匝数等措施，有效地将磁性误差和容性误差控制在了110-6以下，使所有电流变比的准确度均满足0.000 5 级要求。再有，该电流比较仪无须人工调节安匝平衡，在使用上，如同普通电流互感器，接线非常简单，为简化电流比例的量值溯源或量值传递试验线路提供了新的可能，并有望应用于需要对工频电流进行精密测量的自动平衡电桥

26、、交流阻抗测量等领域911。参 考 文 献1 赵修民. 电流比例标准M. 太原: 山西科学教育出版社, 1989.2 P. N. Miljanic, N. L. Kusters, and W. J. M. Moore. The development of the current comparator, a high-accuracy, ac ratio measuring deviceJ. Trans. AIEE (Commun. and Electronics), 1962, 81: 359-368.3 赵修民. 电流互感器M. 太原: 山西科学教育出版社, 1989.4 李鹤, 李前,

27、胡浩亮, 等. 变电站用电流互感器在线校准系统的研制J. 电测与仪表, 2013, 50(12): 5-8.LI He, LI Qian, HU Haoliang, et al. Research on the On-Line Calibration Technology for Power Instrument TransformersJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2013, 50(12): 5-8.5 JJF 1068-2000, 工频电流比例标准装置校准规范S.6 赵修民. 补偿式电流比较仪与双级电流互感器J. 电测与仪表, 1

28、999, 36(8): 15-18, 45.7 N. L. Kusters, W. J. M. Moore. The current comparator and its application to the absolute calibration of current transformersJ. Trans. AIEE (Power Apparatus and Systems), 1961, 80: 94-104.8 JJG 313-2010, 测量用电流互感器S.9 宗建华, 闫华光, 杨林. 电流比较仪技术在精密测量中的应用J. 电测与仪表, 2003, 39(5): 5-10.Zo

29、ng Jianhua, Yan Huaguang, Yang Lin. The application of current-comparator technology in accurate measurementJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2003, 39(5): 5-10.10杨燕, 陆文俊, 赵建亭, 等. 一种高精度交流电桥自动辅助平衡方法J. 电测与仪表, 2013, 50(12): 13-16.Yang Yan, LU Wenjun, Zhao Jianting, et al. An Auto Source Balan

30、ce Method of High Precision AC BridgeJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2013, 50(20): 13-16.11曲正伟, 赵伟, 李正坤. 交流电流比较仪在四端钮阻抗测量中的应用J. 电测与仪表, 2009, 46(12): 1-5.Qu Zhengwei, Zhao Wei, Li Zhengkun. Application of Alternating Current Comparator on Scaling Four-Terminal ImpedancesJ. Electrical Meas

31、urement & Instrumentation, 2009, 46(20): 1-5.作者简介：李鹤（1982），男，硕士，高级工程师，现从事电测量技术研究。Email：lihe3Enrico Mohns（1973），男，德国人，硕士，从事工频电压、电流和电能的精密测量技术研究。雷民（1963），男，博士，教授级高工，工作于中国电力科学研究院，主要研究方向为高电压大电流计量与测试技术研究。赵伟（1956），男，教授、博士生导师，多年从事电磁测量及仪器方面的教学和科研工作。章述汉（1955），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为高电压大电流计量与测试技术研究。胡浩亮（1984），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为高压计量技术，电子式互感器溯源技术。收稿日期：2016-11-30; 修回日期：2017-02-16（田春雨 编发）联系人：李鹤电话：027-59258347Email: lihe3 详细通信地址：湖北省武汉市洪山区珞瑜路143号中国电力科学研究院6