摘要：在分析隔离电流互感器基本原理的基础上，介绍现有测量方法并研究隔离电流互感器自动测量技术，开发一套基于自校准的等量隔离电流互感器自动测量装置，以基于测差法的高准确度、宽量程专用智能互感器校验仪为测量核心，可实现对隔离电流互感器（0.01～120）A宽范围误差测量和DSP（digital signal processor）控制器通信数据的综合处理，实时显示隔离电流互感器在不同额定电流百分比条件下的误差自动测量和数据处理。隔离电流互感器自动测量装置的提出，有效解决隔离电流互感器的误差自动测量技术，为电能计量的准确、可靠提供技术保障。
关键词：隔离电流互感器；自校准方法；智能校验仪；测量装置
引言
互感器是一种传送电压和或电流信号的比例变换装置，等量隔离互感器是一种原边和副边比即变比为1：1的特殊互感器，有隔离电流互感器和隔离电压互感器，分别用于电流回路和电压回路的隔离，其主要作用是在电子线路及精密测量中，实现电流、电压信息信号的准确传递与电气隔离，可以根据电路的要求，选用相应准确等级的隔离电流互感器或隔离电压互感器。在隔离互感器上还可增添屏蔽，以防干扰。
目前，国内外的电能装置生产厂家推出的带电流隔离互感器的三相电能表检定装置，所采用的等量隔离电流互感器是一种电子式智能补偿互感器，具有准确度高、带载范围宽、过载或开路自动保护等特点，具有（0.01～120）A 电流范围、1：1的高精度隔离，标称的准确度等级为0.01 级或0.005级。由于隔离互感器的输入输出范围的特殊性，它的误差测量方法和准确度的评定与传统的电流互感器有所不同，在电流隔离型装置的使用过程中，用户也针对隔离电流互感器的准确度和量值溯源提出了需求。现针对测量隔离电流互感器，通过基于自校准的隔离电流互感器自动测量技术的研究，介绍包含专用智能互感校验仪的隔离电流互感器自动测量装置，供共同探讨。
1、隔离电流互感器基本原理
等量隔离电流互感器ICT的基本原理如图1所示。
当电流I1流入时，在电流互感器二次侧感应出电流I2，比值K=I1/I2的大小由线圈的比值决定。当比值与设计值有细微偏离时候，检测线圈3将剩余的磁场检测出，将检查出的电流经过放大，然后又送回互感器线圈4，互感器线圈4作为补偿线圈，这样经过检测和补偿线圈，使互感器铁芯基本工作在零磁通状态，从而保证K值基本精度达到理想级别，经过实践实际误差能达到0.01%以上。
由于受互感器的铁芯材质的限制，在大电流和小电流时或在某个电流点时，由于严重漏磁，补充线圈检测出的信号经过放大后，会产生严重失真，导致补偿效果变差，于是在实际应用中采用单片机进行智能补偿。
用更高级级别的电流仪表对各个电流点进行测量K值，同时单片机1也测量二次电流（由于R1阻值很大，对二次电流I2的输出的影响可以忽略不计），当测量值与理论值的误差超过设计范围时候，单片机1记录各个电流点的差值，并将此差值送给单片机2（单片机1、2可合用一个单片机）；单片机2将对应不同电流点的修正值通过编程预置ROM中，通过查表自动取修正值，修正值经过A/D进行数模转换，然后进行放大后再送入补偿电路，从而达到修正漏磁的功能。单片机1可以作为显示用，同时设置模糊查询功能，假如理论比值为5时，可以设置在显示为4.95～5.05之间，单片机2就可以查询ROM中5点的预置修正值进行修正，从而达到精确补偿的目的。
等量隔离电流互感器ICT在电能表校验装置上的应用线路简图如图2所示。
图2 应用等量隔离互感器的电能表校验线路
2、测量方法
由于等量隔离互感器是一种变比为1：1的特殊互感器，对其准确度的检定、校准也与普通互感器不同。等量隔离电流互感器的误差测量由于电流范围大而不能采用普通的绝对测差法，因此使用传统的互感器误差测量装置无法直接测量隔离电流互感器ICT。目前国内对等量隔离电流互感器的误差测量主要有两种方式，即为标准电能直接比较法和高精度标准互感器检定法。
2.1 标准电能直接比较法
标准电能直接比较法，即采用高准确度等级的标准电能表，输入同一个输入电压后，比较标准电能表的电能差异就是隔离电流互感器的误差。先将隔离电流互感器ICT接在电源一次端，并在一次端调节输入电流，再将高精度的标准电能表分别对一次、二次测进行读数比对来得到所测隔离互感器的误差。经过了ICT的二次侧的误差包含了标准电能表误差、电压回路线压降误差、ICT误差，如式（1）所示；直接读数的一次侧误差包含标准电能表误差、电压回路线压降误差，误差组成如式（2）所示。
E1 =δ标准表 +δ电压降 + δICT （1）
E2 =δ标准表 + δ电压降 （2）
因此，ICT的综合误差可以用式（3）表示：
E = E1 − E2 （3）
由于两次测试采用同一个标准表，因此二者的差值消除了标准表的不确定性，可以达到较高的准确度，同时测得的误差是综合误差，包含了比差和角差，结果直观。但是，该方法需要非常稳定的工作电源，同时采用高准确度等级的标准电能表。由于被测隔离电流互感器的准确度等级一般为0.01级，而作为标准的电能表就需要更高的准确度等级。因此，该方法的缺点是高准确度等级的标准电能表造价昂贵，成本高，不易普遍实施。
2.2 高精度标准互感器检定法
图3 隔离电流互感器ICT 标准互感器检定方法
高精度标准互感器检定法，是普通互感器检定方法的一种改进，即采用双级型电流互感器作为标准互感器和被测互感器一起接入互感器校验仪而进行互感器的检定。但是，由于等量隔离电流互感器ICT一次、二次比是1：1，而1：1的标准互感器很少，因此使用传统的互感器测试装置无法直接检测ICT，需要在ICT的输出端再接一个标准电流互感器，使变比与标准互感器相同，从而进行测试，如图3所示。
采用这种测试方法的系统误差包含了CT1误差、CT2误差、误差计算器误差，由于隔离电流互感器一般标称0.01级或0.005级，这样对标准互感器和相关的测试装置的准确度要求较高（至少0.002级）。由于等量隔离电流互感器ICT的输出功率有限（一般标称为25 VA或40 VA），该种测量方法对于互感器的接线要求也较高，标准电流互感器在大电流时的功耗如果超出ICT的输出功率，将会使ICT报警及超差，这样就要求测量用的标准CT的功耗尽可能低，并且接线也要求不能太长，否则线路上的损耗也将使ICT过载。同时，使用两台双级电流互感器比较笨重，且随着ICT电流变比的变化需要不停地更换变比，操作程序繁杂、不方便，又不能进行连续自动的测量。
此外，德国联邦物理技术研究院PTB的研究人员研制了一种在线隔离互感器检定装置（ON-SITE CALIBRATION SYSTEM FOR ISOLATION CURRENT TRANSFORMERS），其原理与标准电能表法类似，如图4所示。
图 4 PTB检定隔离电流互感器原理图
该装置由两个准确度等级为0.01级的电能比较器为主要部件，用自校准的原理进行校准，通过计算机程序对电能比较器进行自动化控制，自动调节电流测试范围，同时对测试数据进行保存和打印，能方便快捷的对安装在能量计量站的隔离互感器进行在线检定，功能较为强大。但是，该方法缺点是标准电能比较器价格贵，另外两台间的差异也需经常自校。
3、等量隔离互感器全自动测量装置
根据等量隔离电流互感器ICT的特点，结合现有测量方法，通过基于自校准的隔离电流互感器自动测量技术的研究，以基于测差法的高准确度、宽量程专用智能互感器校验仪为测量核心，新开发研制一套基于自校准方法的等量隔离电流互感器自动测量装置，主要由控制器、电源自动调节装置、专用智能互感器校验仪、专用负荷箱Z、计算机和配套专用测试软件等组成，如图5所示。
图5 基于自校准的隔离电流互感器自动测量装置
图6 隔离电流互感器自动测量装置原理图
等量隔离电流互感器自动测量装置利用1：1绝对测量法，其基本原理如图6所示。装置采用自校准线路的测量方法，用全新思路设计测量等量隔离电流互感器的误差。将隔离电流互感器ICT的一次绕组和二次绕组分别接入专用智能互感校验仪，以隔离电流互感器ICT的一次绕组电流为标准电流与二次绕组输出电流作差，差流输入到校验仪K 处，一次绕组的电流同时为互感校验仪提供工作电流。实际工作时，先在计算机中设定互感器的额定工作电流，通过串口通讯传输到控制器中，控制自动调压装置分别测试120%、100%、80%、20%、5%、1%、0.2%、0.05%、0.01%各点的误差；一次电流通过线路采样反馈到控制器，以实现精确调节，互感校验仪测完一个点后，给控制器一个信号，控制器调节自动调压装置到下一个点，进行下一个点的误差测试。各个点的误差数据通过计算机数据库存储，并生成最终报告。通过计算机及控制器的通讯及控制来实现对隔离电流互感器ICT在不同额定电流百分比条件下的自动测量和数据处理，实现对隔离电流互感器ICT电流范围（0.01～120）A的误差自动测量技术，包括自动升流、自动测量、自动数据处理及出具报告等，改变手动操作的现状。
基于测差法高准确度、宽量程专用智能互感器校验仪，采用电流比较式的互感器校验仪原理，以32位STM32单片机为控制核心，按一定的软件功能及算法，对电流比较仪的不平衡信号进行检测；同时控制产生补偿电流反馈到电流比较仪的补偿绕组，用深度负反馈技术代替高灵敏度的交流指零仪，达到自动检测、自动反馈、自动补偿与自动测量及显示的效果。其基本原理框图如图7所示。
图7 数字式专用智能互感校验仪
采样电路包括工作电流采样、差流采样、阻抗电压降采样、以及导纳电流采样。通过前置放大和有源滤波器等的相关设计，对微弱交流信号进行抗干扰处理及滤波器的相位校正。用于等量隔离电流互感器自动测量装置而开发研制的专用智能互感器校验仪内含有一只电流变比为100A/0.1A的电流互感器。当回路上的电流小于5A时通过电阻R3进行采样，当回路上的电流大于5A时通过内部继电器自动切换到内置的高准确度电流变比为100A/0.1A的电流互感器上并经过电阻R2采样，差流从校验仪K端流入电阻R1采样，取得方法不变，测得的误差数据除以10以后得到真实的误差数据。
4、实测数据
用本装置校验某台多绕组隔离CT
被测CT基本参数：
精度等级：0.01级 工作频率：50HZ
额定负荷：空载
标准绕组：输入端绕组 被测绕组：输出端绕组
输入电流：100A 输出电流：100A
用本装置自动测量，误差数据如下：
结束语：
针对隔离电流互感器ICT的特点，在分析隔离电流互感器基本原理的基础上，结合现有测量方法，通过基于自校准方法的隔离电流互感器自动检定技术的研究，新研制基于自校准等量隔离电流互感器自动测量装置，可以有效解决隔离电流互感器的量值溯源问题，相比于以前的几种测试方法，本文章提出的方案具有造价低效率高的特点，为电能表检定装置的准确、可靠提供技术保证，从而将有助于电子式电能表的准确计量，进一步推进智能电网计量工作的健康发展。
参考文献：
［1］赵修民.测量用互感器.机械出版社，1986年12月.
［2］赵屹榕.小型隔离互感器及其检定.电测与仪表，1995.11：21-23.
论文作者:陈志明1,朱重冶2,彭筱筱1,林婷1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：互感器论文; 电流论文; 电流互感器论文; 误差论文; 测量论文; 装置论文; 准确度论文; 《电力设备》2018年第33期论文;