電子式互感器校驗(yàn)儀同相分量與正交分量的交叉影響研究*

張杰梁

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

0 引言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，電子式互感器對(duì)于電力安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有越來(lái)越重要的意義,市場(chǎng)前景極其廣闊。但從穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性來(lái)看，電磁式互感器仍然占有一定的優(yōu)勢(shì)。為了確保電磁式互感器提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，必須采用有效的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)其進(jìn)行檢定。從互感器的檢定方法來(lái)看，由于各類(lèi)間接檢定方法尚未列入國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程，所以，目前國(guó)內(nèi)的計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)大多采用傳統(tǒng)比較法對(duì)各類(lèi)互感器進(jìn)行檢定。

互感器校驗(yàn)儀是一種測(cè)量電壓互感器和電流互感器比例誤差的儀器。該儀器采用先進(jìn)的電子測(cè)量技術(shù)和(或)電工測(cè)量技術(shù)，較好地解決的互感器的檢定技術(shù)難題。然而，由于互感器校驗(yàn)儀同相分量和正交分量的交叉影響會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差，即同相分量和正交分量的分解難免要產(chǎn)生相位上的誤差，所以一般的互感器校驗(yàn)儀只能達(dá)到2級(jí)或3級(jí)。為了確定互感器校驗(yàn)儀的綜合誤差，國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JJG 169《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》規(guī)定，對(duì)校驗(yàn)儀進(jìn)行首次檢定時(shí)，要采用復(fù)合檢定的方法，同時(shí)，對(duì)檢定結(jié)果進(jìn)行判斷時(shí)，也應(yīng)采用復(fù)合誤差公式進(jìn)行判斷。

從測(cè)量原理上看，互感器校驗(yàn)儀可分為電工式和電子式兩大類(lèi)?？紤]到早期生產(chǎn)的互感器校驗(yàn)儀一般為電工式的，這類(lèi)校驗(yàn)儀均屬于直角坐標(biāo)型校驗(yàn)儀，而目前生產(chǎn)的互感器校驗(yàn)儀大多數(shù)為電子式的，這類(lèi)校驗(yàn)儀有直角坐標(biāo)型也有極坐標(biāo)型的，鑒于此，新的互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程刪去舊規(guī)程中對(duì)直角坐標(biāo)式校驗(yàn)儀的限定，但從檢定方法上看，依舊采用檢定直角坐標(biāo)式校驗(yàn)儀的方法。本文將著重分析直角坐標(biāo)型電子式互感器校驗(yàn)儀正交分解原理，并通過(guò)試驗(yàn)分析互感器校驗(yàn)儀同相分量和正交分量的交叉影響，進(jìn)一步驗(yàn)證JJG169《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》中對(duì)互感器校驗(yàn)儀復(fù)合誤差定義的科學(xué)性[1-2]。

1 影響電子式互感器校驗(yàn)儀測(cè)量結(jié)果的因素分析[3-5]

與傳統(tǒng)的電工式互感器檢驗(yàn)儀相比，電子式互感器校驗(yàn)儀可較好地解決負(fù)載效應(yīng)、自動(dòng)控制等問(wèn)題，同時(shí)該類(lèi)儀器操作簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、檢定速度快且容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。但由于該類(lèi)儀器具備同時(shí)顯示同相分量和正交分量的示值，同相分量和正交分量的分解必然給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。此外，目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的電子式互感器校驗(yàn)儀大多采用阻容移相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)互感器誤差數(shù)據(jù)的測(cè)量。由于這類(lèi)電路中積分放大器的增益是信號(hào)頻率的函數(shù)，所以，若在使用時(shí)的信號(hào)頻率與檢定時(shí)的頻率不同，將會(huì)給檢定結(jié)果帶來(lái)一定的附加誤差。

以上影響電子式互感器校驗(yàn)儀測(cè)量結(jié)果的兩個(gè)主要因素中，頻率誤差可通過(guò)JJG 169—2010 《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》中規(guī)定的附加誤差修正來(lái)減小其影響。因此，減小同相分量和正交分量的交叉影響是提高電子式互感器校驗(yàn)儀準(zhǔn)確度等級(jí)的主要手段。為了分析電子式互感器校驗(yàn)儀同相分量和正交分量的交叉影響，現(xiàn)給出兩個(gè)分量的向量圖，如圖1所示。

圖中X0與Y0分別表示被測(cè)電子式互感器校驗(yàn)同相分量與正交分量的實(shí)際值。X1與Y1表示電子式互感器校驗(yàn)儀測(cè)量時(shí)所獲得的兩個(gè)示值，其中，X1為同相分量，Y1為正交分量。由于電子式互感器校驗(yàn)儀的兩個(gè)分量的測(cè)得值均存在相位誤差，假設(shè)X1的相位誤差為a，Y1的相位誤差為β，則電子式互感器校驗(yàn)儀工作時(shí)，這兩個(gè)相位誤差必然會(huì)給同相分量和正交分量實(shí)測(cè)值產(chǎn)生一定的影響，即X1的相位誤差a要產(chǎn)生一個(gè)ΔY分量，ΔY將會(huì)疊加到Y(jié)1中去，使其顯示值改變?yōu)閅2=Y1+ΔY；同理，Y1的相位誤差β要產(chǎn)生一個(gè)ΔX分量，ΔX將會(huì)疊加到X1中去，使其顯示值改變?yōu)閄2=X1+ΔX。由此可見(jiàn)，具有兩個(gè)測(cè)量示值的儀器，只要這個(gè)分量是共處在一個(gè)直角坐標(biāo)的測(cè)量系統(tǒng)之中，則每個(gè)分量的相位誤差必然要對(duì)另一個(gè)分量的示值產(chǎn)生一個(gè)疊加誤差。

圖1 同相分量與正交分量的交叉影響示意圖

2 同相分量與正交分量的交叉影響試驗(yàn)

為了確定電子式互感器校驗(yàn)儀兩個(gè)分量交叉影響給檢定結(jié)果帶來(lái)的誤差，現(xiàn)以早期生產(chǎn)的HEW2002型和近幾年改進(jìn)的HN-2K01B4型互感器校驗(yàn)儀為例，對(duì)其電流互感器測(cè)量回路同相分量和正交分量的相互影響進(jìn)行進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。

表1HN-2K01B4型互感器校驗(yàn)儀正交分量對(duì)同相分量影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2HN-2K01B4型互感器校驗(yàn)儀同相分量對(duì)正交分量影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3HEW2002型互感器校驗(yàn)儀正交分量對(duì)同相分量影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4HEW2002型互感器校驗(yàn)儀同相分量對(duì)正交分量影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表

圖2 電子式校驗(yàn)儀頻率特性擬合曲線

為了分析電子式互感器校驗(yàn)儀同相分量與正交分量的交叉影響，現(xiàn)采用MATLAB曲線擬合工具箱對(duì)表1～表4的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式曲線擬合，擬合曲線分別如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)正交分量增大時(shí)，相同分量也逐漸增加；增大同相分量時(shí)，正交分量逐漸變小，并向負(fù)方向變化。當(dāng)X與Y兩個(gè)分量大小相差較大時(shí)，示值較大者的相位差對(duì)示值較小者的迭加誤差尤為嚴(yán)重。需要進(jìn)一步指出的是，雖然兩種型號(hào)的互感器校驗(yàn)儀均符合JJG 169—2010《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》2級(jí)要求，但前者的交叉影響量相對(duì)較小，據(jù)該公司研制者介紹，該款校驗(yàn)儀在原有正交分解技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量電路的采樣部分進(jìn)行改造，從而在一定程度改善了兩個(gè)分量的交叉影響。鑒于同相分量與正交分量交叉影響帶來(lái)的誤差無(wú)法避免，故JJG 169—2010《互感器校驗(yàn)儀檢定規(guī)程》采用復(fù)合誤差的公式來(lái)定義電子式互感器校驗(yàn)的基本誤差量限：

ΔX=±K(X·a%+Y·a%+DX)

(1)

ΔY=±K(X·a%+Y·a%+DY)

(2)

式中，ΔX為同相分量示值誤差限值；ΔY為正交分量示值誤差限值；K為儀器的量程系數(shù)；X為同相分量示值的絕對(duì)值；Y為正交分量示值的絕對(duì)值；DX為同相分量示值中的最小分度值或量化值；DY為正交分量中的最小分度值或量化值；a為儀器的準(zhǔn)確度級(jí)別指數(shù)。

3 同相分量與正交分量交叉影響的改善[6-9]

傳統(tǒng)的電子式互感器校驗(yàn)儀一般采用阻容移相原理來(lái)進(jìn)行正交分解，其積分電路如圖3所示。

圖3 90°移相所采用的積分電路

圖3中，A為運(yùn)算放大器，C為積分電容，R1為積分電阻，R2為平衡電阻，輸入輸出信號(hào)分別為Ui和Uo，傳遞函數(shù)為：

(3)

式中，t為積分放大器的時(shí)間常數(shù)。由式3可知，積分放大器的增益是電源頻率的函數(shù)。若校驗(yàn)儀在使用時(shí)的信號(hào)頻率與檢定時(shí)信號(hào)頻率不同，將會(huì)給檢定結(jié)果帶來(lái)一定的附加誤差。為此有必要采用基準(zhǔn)正交分離電路來(lái)實(shí)現(xiàn)正交移相。基準(zhǔn)正交分離電路中，同相分量和正交分量的相位誤差不會(huì)因?yàn)轭l率的改變而產(chǎn)生附加誤差。

基于基準(zhǔn)正交分離電路電子式互感器校驗(yàn)儀的原理框圖如圖4所示。圖中，AGC為自動(dòng)增益控制電路，a與β為基準(zhǔn)正交分離電路的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Um為參考信號(hào)，a與β的相位關(guān)系以及它們與Um的相位關(guān)系與工作頻率無(wú)關(guān)。由于基準(zhǔn)正交分離電路是一種邏輯電路，其相位誤差主要取決于邏輯脈沖的前沿與后沿特性，故只要相應(yīng)元件的時(shí)間響應(yīng)速度夠快，就會(huì)使這項(xiàng)誤差得到改善。其次，這種四分頻移相技術(shù)是理論性質(zhì)的移相，只要電路連接正確，產(chǎn)生的同相與正交驅(qū)動(dòng)信號(hào)就能保證相移為準(zhǔn)確的90°，不需要任何調(diào)整，也不會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化。

圖4 基于基準(zhǔn)正交分離電路電子式互感器校驗(yàn)儀的原理框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析電子式互感器校驗(yàn)儀正交分解原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)復(fù)合檢定方法對(duì)HN-2K01B4型和HEW2002型電子式互感器校驗(yàn)儀的兩個(gè)分量的交叉影響進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)正交分量增大時(shí)，同相分量也逐漸增加；增大同相分量時(shí)，正交分量逐漸變小，并向負(fù)方向變化。當(dāng)X與Y兩個(gè)分量大小相差較大時(shí)，示值較大者的相位差對(duì)示值較小者的迭加誤差尤為嚴(yán)重。為了提高電子式互感器校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度等級(jí)減小其同相分量和正交分量的交叉影響，文中介紹了一種基于正交分離電路的電子式互感器校驗(yàn)儀，該原理的電子式互感器校驗(yàn)儀在很大程度上減小了兩個(gè)分量交叉影響和工作頻率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了儀器的準(zhǔn)確度等級(jí)。

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