李 波 贺艳平 曹 敏 叶小雪 胡万层 邹至刚

（1.云南电网公司技术分公司，云南 昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，云南 昆明 650217；3.广州市格宁电气有限公司，广东 广州 510500）

精密工频电流-电压比例变换器的设计及校准方法研究

李 波1，2， 贺艳平3， 曹 敏1，2， 叶小雪3， 胡万层1，2， 邹至刚3

（1.云南电网公司技术分公司，云南 昆明 650217；2.中国南方电网公司电能计量重点实验室，云南 昆明 650217；3.广州市格宁电气有限公司，广东 广州 510500）

针对高精度、小量程的电流相关测量方法有限这一难题，根据有源阻抗的矢量电压合成消除互感器测量误差的方法设计一种精密工频电流-电压比例变换器。该变换器采用3只感应式比例单元实现范围较大的电流比例变换；采用双级电流互感器解决励磁电流引起的误差，减小电流的测试误差；其校准方法采用基于双通道电压比较仪和有源阻抗变换技术的溯源提高测试精度。通过实验证明该变换器能够实现10-6量级的电流-电压比例变换，其校准方法误差优于2×10-6，可测量最小2mA的电流。

小量程电流；电流-电压比例变换器；感应比例标准；校准方法；溯源；工频

0 引 言

电流测量的准确度直接关系到电压、功率、电能测量的准确度。在测量电流时，往往采用间接测量方式[1]，即测量被测电流在标准电阻分流器上所产生的电压降。实践表明，间接测量方法存在以下两个问题：1）需要设计功率和阻值不同的多种分流器，以扩展电流测量范围并减少电阻的负载效应所引起的误差；2）很难满足在测量大电流时对标准电阻分流器的功率需求[2-3]。

感应式比例单元采用双级电流互感器，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、抗干扰能力强、电流变换准确、测量范围宽等特点，为交流电流的宽范围精确测量提供了必要条件[4-6]；I/U变换单元[7]采用基于“通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法”的电流/电压精确比例转换原理，为交流电流的测量溯源于电流比例、电压比例和交流电阻提供了必要的条件。其于此，本文提出了由感应式比例单元和I/U变换单元构成的高精度、宽量限变换器设计方案及校准方法。

1 变换器的组成及主要部件

1.1 变换器的结构

如图1所示，变换器的感应式比例单元由3只双级电流互感器构成，变换器的I/U变换单元由3只I/U转换器构成。

3只感应式比例单元，分别采用了2安匝/0.8mA、20安匝/8mA、200安匝/80mA双级电流互感器。I/U变换单元采用了0.8mA/4V、8mA/4V、80mA/4V I/U转换器。变换器误差由双级电流互感器的比值误差和I/U转换器的转换误差之和构成。

3只双级电流互感器一次均设有多输入量限，而相邻的双级互感器均设有部分重叠（相同）的量限。通过3只双级电流互感器的组合，可实现2mA～100A范围的电流比例变换。

双级电流互感器在校准过程中，每一档位比例误差用电流比较仪进行校准[8]，相邻双级电流互感器相同量限的比例误差采用“Step-up”方法[4]进行校准，不同量限的误差通过递推方法校准。

1.2 双级电流互感器设计

电流互感器的误差来自于励磁电流。双级电流互感器较好地解决了励磁电流引起的误差问题[9]，因而具有比普通电流互感器更高的准确度。

双级电流互感器的结构如图2所示。它是由两级电流互感器组成的特殊电流互感器，其中第一级电流互感器与一般的电流互感器相同，而第二级电流互感器是将第一级互感器的励磁安匝0N2作为第二级互感器的一次安匝，第二级互感器的二次安匝为B2NB，励磁安匝为0BN1。双级电流互感器的误差是由第二级互感器铁芯的励磁安匝所决定，且为第一级和第二级互感器误差乘积的负值，也等于两个互感器二次总阻抗的乘积与励磁阻抗乘积比值的负值。

图1 电流-电压比例变换器的结构

图2 双级电流互感器原理示意图

根据本变换器的准确度需求，设计并研制了误差优于5×10-6的双级电流互感器，用于电流-电流比例变换。

1.3 I/U变换单元设计

基于“通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法”设计的I/U变换单元，将双级电流互感器的2次输出电流80mA（或8，0.8mA）均转换成4V电压。

I/U变换单元的电路原理如图3所示，可知，I/U变换单元将双级电流互感器二次比例绕组及检测绕组的电流分别转换为电压，并进行线性放大后输入到加法运算放大器，完成通过有源阻抗的电压矢量的合成，消除双级电流互感器的测量误差。

图3 电流-电压（I/U）变换单元原理图

基于有源阻抗的电压矢量合成电路原理如图4所示。比例绕组电流经W2两端并联的转换电阻转变为电压信号，输出到运算放大器IC1的同相输入端，IC1的输出电压接到加法运算放大器IC4的反相输入端；检测绕组电流经W3两端，直接输入到运算放大器IC2的同、反相输入端，检出激磁电流，经转换电阻转换为电压信号，输出到运算放大器IC3的反相输入端；IC3输出电压到加法运算放大器IC4的反相输入端；上述两路电压信号在加法运算放大器IC4进行求和，完成电压矢量的合成。

图4 通过有源阻抗的矢量电压合成来消除互感器测量误差的方法

该方法的优点有：

1）检测绕组以小磁通设计代替常用的零磁通设计，直接、独立测量检测绕组电流，避开了铁芯的起始导磁率的影响,克服了磁滞现象。

2）用电压矢量合成方法替代电子负反馈方法，取消了补偿绕组，从而消除了直流问题、漂移问题、相位不稳定问题及补偿绕阻的反射阻抗问题。

3）容易实现检测绕组的二次负载-电子电路等效阻抗为零，使得互感器的合成误差在大量程范围内具有很好的线性度，使检测绕组铁芯始终处于线性范围内。

4）双级电流互感器二次采样电阻，选用低漂移精密金属箔电阻，并使其工作在小电流低功耗状态，几乎可以忽略负载效应，以满足I/U变换器的准确度及稳定性指标。

2 变换器的校准方法

变换器的校准过程分两步进行：

首先，以电流比较仪为参考，采用校验互感器的通用方法[10]，对变换器中的双级电流互感器进行校准，获得其各档位的比差和角差。

其次，对变换器整体进行测试，以确定I/U变换器的电流-电压变换误差。

2.1 变换器整体的校准原理

1）将一工频交流电压同时加于电压比例标准和标准电阻；电压比例标准将输出参考电压UC（AC 4V）；流过标准电阻的电流经变换器将输出电压UI（AC4V）。

2）把UC与UI同时输入于双通道电压比较仪，就可以得到变换器在该档位下的转换误差（该档位双级电流互感器误差+I/U变换器误差）。

3）由于双级电流互感器各档位误差已知，因此可以确定I/U变换器的误差。

4）根据双级电流互感器的不同档位误差，可以推定各个档位的变换器误差。

5）通过双级电流互感器重叠的量限设计及不同双级电流互感器相同电流档位的串联并施加相同电流，可以比较两组变换器的相对误差。

6）通过重复3）～5）步骤，可以标定所有变换器的误差。

2.2 变换器整体的校准过程与数据处理方法

2.2.1 校准过程

变换器整体校准是在完成双通道比较仪通道一致性测试的基础上，按照以下步骤进行的，并通过计算得出幅值误差和相位误差。

1）确定使用的双通道比较仪两通道一致性幅值误差和相位误差：测试原理电路如图5所示，通过比较仪两通道的电压测量值和相位测量值可获得以A通道为参考的通道一致性幅值误差E1与相位差D1。

图5 双通道比较仪通道一致性测试

2）确定（20AT+8 mA/4V）的0.02A相对电压比例和10 k标准电阻的误差，测试原理电路见图6。通过双通道比较仪对同一200V AC信号经电压比例和I/U变换后的两4V信号的测量，获得幅值误差E2与相位差D2。

3）确定（200AT+80mA/4V)的0.2A相对（20AT+ 8mA/4V）的0.2 A误差：测试原理电路见图7，通过双通道比较仪对同一200 mA信号经两个不同I/U变换后的4V信号的测量，获得幅值误差E3与相位差D3。

采用以上测试结果及双级电流互感器的误差，即可确定相应I/U变换器的误差。

图6 确定（20AT+8mA/4V）变换器0.02A误差

图7 确定（200AT+8mA/4V）变换器0.2A误差

2.2.2 数据处理与计算

式中：f1——参考用双级电压互感器200∶4比值误差；

f2——参考用10kΩ标准电阻阻值误差；

f3——有源补偿器零位补偿幅值误差。

根据图7，对于相同的0.02A的电流输入，两种不同变换输出的4V信号在双通道比较仪进行比较，可得（200AT+80mA/4V）的0.2A相对（20AT+8mA/4V）的0.2A误差：

从图6和图7可以看出，（200AT+80mA/4V）的0.2A相对电压比例和10kΩ标准电阻的误差E0为

式中：f4——20AT双级电流互感器0.02A比值误差；

f5——20AT双级电流互感器0.2A比值误差。

将式（1）与式（2）代入式（3），并整理得：

6.1 生态监测工作长期的运行经费缺乏保障。生态监测是一项系统性长期性的工作，随着重大生态保护工程实施的结束，生态监测运行经费无法保障，监测站点的运行维护、监测数据长期连续获取将受到影响，年度监测任务实施及监测成果的质控体系缺乏有效的制度保证，使生态监测工作缺乏长效保障机制。

按照式（4）即可计算（200AT+80mA/4V）的0.2A相对电压比例和10kΩ标准电阻的误差。

针对相位误差方面，特别要考虑各部件相位误差在双通道比较仪相位读数的符号，参照幅值误差计算方法，可推出相位误差计算公式为

式中：δ1——参考用双级电压互感器200∶4相位误差；

δ2——参考用10kΩ标准电阻相位误差；

δ3——有源补偿器相位误差；

δ4——20AT双级电流互感器0.02A相位误差；

δ5——20AT双级电流互感器0.2A相位误差。

3 实验验证

对变换器成果样机的交流电流比例标准YCHL-4的3次测试结果如表1所示，把YCHL-4的200 AT电流互感器（0.2 A+80 mA/4 V）溯源到电压比例和10kΩ标准电阻的电流比例变换误差为-26.0×10-6。

表1 YCHL-4电流互感器（0.2A+80mA/4V)溯源测试误差

以电流比较仪为标准，可确定YCHL-4的双级电流互感器200AT各档位的比值误差，并计算出YCHL-4在5A的电流/电压比例变换误差如表2所示，可见变换误差为-24.5×10-6。

表2 YCHL-4电流/电压比例变换误差5A档

单相电学参量标准的电流误差，由双通道比较仪YCXX-01B的电压测量误差和YCHL-4的5 A/4 V的误差合成，各相关误差项见表3。

表3 单相电学参量标准电流误差项

单相电学参量标准测试多功能校准仪YC-01B-012#数据见表4。单相电学参量标准的电流误差由双通道比较仪YCXX-01B的电压测量误差和YCHL-4的电流/电压比例变换误差合成，按表3计算理论电流误差为[（-24.5+25.3）+（-0.9）]×10-6=-0.1×10-6。

根据表4的测试数据，换算到相对NRC的单相电学参量标准的电流误差为-1.3×10-6。

两者仅相差[-0.1-（-1.3）]×10-6=1.2×10-6，方法误差优于2×10-6。

表4 单相电学参量标准测试数据

4 结束语

本文介绍的变换器及校准方法，将交流电流比例变化溯源到电流比较仪、电压比例标准和标准电阻，从而实现了优于2×10-6的比例变换校准水平，并结合双通道电压比较仪实现了工频电流15×10-6（k=2）的测量水平。

本文介绍的变换器及校准方法已经成功应用在中国南方电网电能计量重点实验室，用于对云南电网电参量准确性保障和电参量相关测试技术研究，并取得了较好的应用效果。

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[10]JJG 313——2010测量用电流互感器[S].北京：中国计量出版社，2011.

Design and study on calibration method of precision power current-voltage ratio converter

LI Bo1，2，HE Yan-ping3，CAO Min1，2，YE Xiao-xue3，HU Wan-ceng1，2，ZOU Zhi-gang3
（1.Technology Company Branch of Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；2.The Energy Metering Key Laboratory of China Southern Power Grid，Kunming 650217，China；3.Guangzhou GENY Electric Co.，Ltd.，Guangzhou 510500，China）

Currently，the AC current measurement means，methods and instruments are more mature in the low rank of accuracy.However，for high-precision current measurement methods related to small-scale is limited，which is currently a major difficulty.Through synthesizing the voltage vector of active impedance to eliminate the measurement deviation of transformer，a kind of alternating current-voltage ratio converter（hereinafter referred to as the converter）is designed.The converter adopts three induction type proportioning unit to achieve wide current transformation.With double stage current transformer to solve the error problem caused by the excitation current，this reduces the measurement deviation of current.The test accuracy is improved by its calibration method based on the tracing of dual voltage comparatorand active impedance transformation technique.The experimental results show that the converter can realize the current voltage ratio of the order of 10-6. The method of calibration deviation is better than 2×10-6，and it can measure the minimum current 2mA.

small range of current；current-voltage ratio converter；induction ratio standard；method of calibration；traceability；power frequency

TM451；TM452；TP274；TM930.12

：A

：1674-5124（2014)06-0074-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.020

2014-06-11；

：2014-08-02

李 波（1982-），男，工程师，硕士，主要从事自动化、智能计量相关工作。