全自动电流比较仪仿真负荷调零箱设计研究

郝斌 闫宪峰

引言

随着全球一体化经济的快速发展和我国科技自主创新的不断深入，高精度计量和数字化量测技术在我国国民经济中的地位日益显著。工频电流比例值的精准、有效，对于智能电网、新能源、航天航空的高精度计量有重要意义。零磁通电流互感器、电流比较仪的准确度取决于主互感器或主铁芯达到零磁通的程度以及磁性误差和容性误差[1]244。

电流比较仪仿真负荷调零箱是通过调节仿真负荷输出，使零磁通电流互感器、电流比较仪在使用时工作磁通无限接近零磁通的装置。传统的电压源仿真负荷调零箱采用人工手动操作存在以下弊端：1.采用外附指针式指零仪与负荷调零箱组合使用，十分笨重，不方便携带；2.手动操作完全依赖人眼识别检流仪是否到达零位，测试精确度低；3.正交分量存在移相不到位的情况，有一定的调零死角；4.测试过程需要多人同时操作调压器和调零箱的拨盘，调压器从1%电压量程缓慢上升到20%电压量程的过程中，需同时调节调零箱使检流仪指零，费时费力、测试效率低；5.不支持指零仪与负荷调零箱协调反馈控制，不能自动调零。

一、全自动电流比较仪仿真负荷调零箱的基本原理

如图1所示，本装置包括CPU控制单元、感应分压单元、通信单元、显示单元，内附数字指零单元及检测线圈。CPU控制单元通过采集A/D转换后的电压数字信号，控制感应分压单元，调节同相分量和正交分量的大小，改变输出的仿真负荷，使得其近似于零磁通电流互感器、电流比较仪补偿绕组的等值负荷阻抗，此时检测绕组电流小于0.1nA，再由内附数字指零单元反馈至CPU控制单元。

图1 全自动电流比较仪仿真负荷调零箱的基本原理图

CPU控制单元采用STM32芯片控制，通过modbus通讯协议与通信单元进行实时数据信号的传输，可随时配合电流比较仪与校验仪整体检定系统测试。显示单元采用OLED屏显示，可实时监视检测绕组电流的大小，以及仿真负荷测试结果。

二、感应分压单元的设计

感应分压单元由感应分压器TA、感应分压器Ta、移相器组成，感应分压器TA收到CPU的调节指令后，通过五盘感应分压把初级线圈的电压转换至次级线圈作为同相电压输入工作回路；同理，采用移相器使电压相位调节至不同角度后，作为正交分量通过感应分压器Ta输入工作回路，如图2所示。

图中，感应分压器TA包括比例绕组A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10和E0-E10五盘，各盘的匝数相应为前一盘匝数的1/10；感应分压器Ta包括a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10和e0-e10五盘，各盘的匝数与感应分压器TA各盘的匝数依次相同。移相器采用电容C、电阻R串联结构，并入装置的输入端，同时，电阻R接入线圈作为感应分压器Ta的初级线圈，此外，电容C容量为10～40μF，电阻R的阻值为2～15Ω。端钮100V、X为仿真负荷调零箱的工作电压输入端，即此端钮与稳压源电压相接，端钮Bd、D为仿真负荷调零箱的输出端，串联接入电流比较仪补偿绕组回路，BD端钮接补偿绕组的非极性端，D端钮接地。

由于电流比较仪、零磁通电流互感器补偿绕组的等值负荷阻抗的数量级从10-3～10-1Ω，采用上述设计，把仿真负荷调零箱的输出电势分为5档微小电压，即：（1～9）＊500mV，（1～9）＊50mV，（1～9）＊5mV，（1～9）＊0.5mV，（1～9）＊0.05mV，则调零箱的最小可调节电压为0.05mV，其仿真负荷输出可调范围为1＊10-5Ω～9＊10-1Ω，完全满足电流比较仪、零磁通电流互感器零磁通调节需求。

三、内附数字指令单元设计

内附数字指令单元可实时采集检测绕组的电流信号，并把此电流信号作为基准信号，通过隔离取样、放大、滤波转化为基准电压输送给A/D转换器，A/D转换器根据基准电压的频率和电压幅值匹配合适的控制数字量，得到可调电压数字信号反馈给CPU控制单元。

本单元采用同向放大器，由于同向增益放大器相比反向增益放大器具有更高的输入阻抗，因此在高精度电压测量电路中一般多使用同向增益放大器[2]。设计中的同相放大器使用ADG409模拟开关控制运放的增益，该电路具有响应速度快，线性度好的特点，而且不受模拟开关导通电阻的影响。

四、全自动电流比较仪仿真负荷调零箱的检测方法

第一步，上位机通过通信单元下发测试调零任务，稳压源自动升压至20%电压量程，调零箱开始全自动测试。

日子就这样一年一年过去，我也有了儿子，每当我也想用我的思想左右儿子，就会突然想到小时候跟母亲的交恶，于是我就开始说服自己，对儿子的态度就会温婉一些。可是再怎么样克制，也会有失控的情况，失控完我又会很伤心。

第二步，当测试开始时检测绕组中的电流大于50000nA或低于5nA，则发出报警。

第三步，调零箱分别进行同相分量和正交分量的极性判断，首先进行同相分量极性判断，控制感应分压器TA第一盘A1闭合，变换同相极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为同相分量正确的极性；同理，接着进行正交分量的极性判断，控制感应分压器Ta第一盘a1闭合，变换正交极性档位，当检测绕组电流减小，则认为此时为正交分量正确的极性。

如：判断极性时，控制感应分压器TA第一盘A1闭合，变换极性档位为负，检测绕组电流减小，则认为同相极性为负极性，接着控制感应分压器Ta第一盘a1闭合，变换极性档位为正，检测绕组电流减小，则认为正交极性为正极性。

第四步，判断调零箱同相分量和正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器TA第一盘至第五盘的A1、B1、C1、D1、E1，当检测绕组电流减小，则此盘为同相分量起始盘。同理，确定正交分量的起始盘，依次闭合感应分压器Ta第一盘至第五盘的a1、b1、c1、d1、e1，当检测绕组电流减小，则此盘为正交分量起始盘。

如：当控制感应分压器TA第一盘A1闭合，检测绕组电流变大，则A1复位，闭合B1，当检测绕组电流减小，则认为B0-B10盘为同相分量起始盘，当控制感应分压器Ta第一盘a1闭合，检测绕组电流减小，则认为a0-a10盘为正交分量起始盘。

第五步，全盘判断时，感应分压器TA的五盘比例绕组按照优先级从高到低A0-A10、B0-B10、C0-C10、D0-D10至E0-E10排列，感应分压器Ta的五盘比例绕组同理按照优先级从高到低a0-a10、b0-b10、c0-c10、d0-d10至e0-e10排列。选择同相分量和正交分量起始盘中优先级最高盘作为判断开始，按照同相分量和正交分量同等优先级规则，各盘轮流依次循环判断，选定每盘检测绕组电流最小的档位，直至全部判断完成输出仿真负荷。

如：当同相分量起始盘为B0-B10盘，正交分量起始盘为a0-a10盘，则从a0-a10盘开始进行增量判断，若a7时电流最小，则该档位置于a7，再对B0-B10盘进行增量判断，若B2时电流最小，则该档位置于B2，接着按照相同的方法依次判断b0-b10、C0-C10、c0-c10、D0-D10、d0-d10、E0-E10和e0-e10直至全部判断完成。

第六步，测试过程中，测试状态和检测绕组的电流通过通信单元实时反馈至上位机。

第七步，检测结束，调零箱通过通信单元发送仿真负荷输出值及调零结束信号至上位机，上位机将结果数据保存。

五、试验结果

电流比例标准的校准和溯源，需要数台补偿式电流比较仪组合，通过自校、互较、加法、乘法和除法等检定线路进行校准，其大多数线路都需要仿真负荷调零箱调节补偿绕组的压降，使电流比较仪在工作时接近于零磁通，如图3为电流比较仪的加法线路，在标准辅助电流互感器Toa的差流回路中串联仿真负荷调零箱，以此来抵消To二次回路中所有负荷。

图3 电流比较仪加法线路

分别采用传统仿真负荷调零箱与全自动电流比较仪仿真负荷调零箱串入检定线路进行测试，测试结果如表1所示。

在电流比较仪加法线路中，标准To的二次负荷为被检Tx的一次绕组的电阻压降，其等值电阻的数量级为10-1Ω[1]271，仿真负荷调零箱需输出相应的仿真负荷即可调节，测试时其工作电流为20%额定电流1A，由上表可知，本装置与传统调零箱测试结果的最大差值为0.06mV，折算至仿真负荷为0.06mΩ，比0.1Ω小约4个数量级，可以忽略不计，同时测试一组数据的时间从6分钟降低至30秒，极大提高了工作效率。

结语

本装置解决了传统的仿真负荷调零箱人为干预较多，操作不灵活及调零死角的问题，且操作简单，一键式调节，实现了自主跟随、仿真负荷线性输出，负反馈智能控制，提高了工作效率。