蔣 威，李小魁

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

電流互感器是發(fā)電廠與變電站的高壓電能計量及大量用戶的電能計量裝置，它關(guān)系到發(fā)電、送電、供電及用戶等多方的利益.為保證計量準(zhǔn)確，必須按照SD109 《電能計量裝置檢驗規(guī)程》和DL/668—1999《電能計量裝置技術(shù)管理規(guī)程》進行檢驗.現(xiàn)場檢定電流互感器，無需標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、升流器、負載箱、調(diào)壓控制箱以及大電流導(dǎo)線，使用極為簡單的測試接線和操作，實現(xiàn)電流互感器的檢定，極大地降低了工作強度并提高了工作效率.目前的互感器現(xiàn)場校驗儀多用16位CPU完成，運行速度慢、精度不高，不具備二次負荷測試功能.本設(shè)計將互感器的角差、比差測試與二次負荷測試結(jié)合在一起，代替了原來的互感器變比測試儀和二次負荷測試儀，而且采用了STM32單片機，使系統(tǒng)的運行速度和精度大大提高，降低了功耗.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電流現(xiàn)場校驗儀由一次和二次電流采樣電路、二次側(cè)電壓采樣電路、STM32單片機系統(tǒng)、顯示電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the system

按鍵電路主要用于輸入標(biāo)稱值，以計算互感器誤差.一次電流采樣電路用以采樣一次側(cè)電流，二次電流采樣電路用以采樣二次側(cè)電流，通過兩路同時轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器AD73360將采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至STM32單片機系統(tǒng).二次電壓采樣電路用以采樣互感器二次側(cè)電壓，送入單片機系統(tǒng).單片機系統(tǒng)完成功能校驗和二次負荷測試，采用雙屏顯示的方式，分別顯示校驗及測試結(jié)果.

本系統(tǒng)采用STM32單片機，該單片機使用高性能的ARM? CortexTM-M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，資源豐富，且供電電壓為2.0～3.6 V，具有一系列的省電模式，可降低系統(tǒng)功耗.

1．1 電流互感器校驗儀的工作原理

電流互感器由閉合的鐵心、一次線圈和二次線圈構(gòu)成.一次線圈匝數(shù)很少，串接在需要測量的電流的線路中；二次繞組匝數(shù)較多，串接在測量儀表和保護回路中，利用電磁感應(yīng)原理，把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用于配電系統(tǒng)的測量與保護.

互感器的校驗方式是利用鉗形表分別測量一次線圈和二次線圈的電流，通過特定的公式及算法，求出互感器的變比、比差和角差等參數(shù)，與互感器的標(biāo)稱參數(shù)進行校對.

互感器的變比的計算公式為

(1)

其中，I1為一次側(cè)測量電流，I2為二次側(cè)測量電流.為了精確測量變比，對電流采樣電路的精度要求較高.

比差的測量計算公式為

(2)

其中，Ks為互感器的標(biāo)稱變比，可由鍵盤電路手動輸入.

互感器角差δ為一次和二次電流相位差，由公式(3)可得

δ=θ1-θ2，

(3)

其中，θ1和θ2分別為一次和二次電流初相位，采用傅里葉變換可計算二者之差.需要注意的是，若計算角差大于180°，則應(yīng)減去180°[1].

1.2 二次負荷測試原理

對于電流互感器來說，二次負荷是指電流互感器所接電氣儀表和并聯(lián)導(dǎo)線的總阻抗[2]，電流互感器的二次負荷測試就是測試互感器二次側(cè)的電壓U2、電流I2、視在功率S、有功功率P等參數(shù)，計算功率因數(shù)cosφ2以及二次感抗X和二次電阻R等參數(shù).

互感器視在功率可由公式(4)計算

(4)

二次側(cè)阻抗模由公式(5)計算

(5)

由公式(3)、(4)可計算出互感器二次側(cè)的電阻分量R及電抗分量X，從而利用公式(6)、(7)、(8)計算有功功率P、無功功率Q及功率因數(shù)λ：

(6)

(7)

(8)

2 硬件電路設(shè)計

2.1 一次電流采樣電路

2.2 二次電流采樣電路

二次側(cè)電流采樣電路如圖3所示，電流I2由二次鉗形表采樣獲得，有效值為20 mA，經(jīng)電阻R5轉(zhuǎn)化為電壓信號.集成運放OP2～OP4構(gòu)成測量放大器，用該電路可以提高差模輸入電阻，事實上，該電路差模輸入電阻可視為無窮大.該電路的輸出電壓U3為

(9)

調(diào)節(jié)電位器Rw并合理配置各電阻，可使輸出電壓亦為3 V左右.

圖2 一次電流采樣電路Fig.2 Primary side current sampling circuit

圖3 二次電流采樣電路Fig.3 Secondary side current sampling circuit

2.3 二次側(cè)電壓測量電路

二次電壓采樣電路如圖4所示.OP5及R12為構(gòu)成電壓跟隨器，對二次電壓U2進行采樣，為保證采樣精度，R12可選用兆歐級電阻.OP6構(gòu)成放大電路，合理配置R13及R14對二次電壓進行放大，并利用STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行處理.

圖4 二次電壓采樣放大電路Fig.4 Secondary side voltage sampling amplifier circuit

圖5 系統(tǒng)軟件程序流程圖Fig.5 Software flowchart of the system

2.4 鍵盤及顯示電路

按鍵電路用以輸入互感器的變比，可輸入數(shù)字0～9，并留有存儲、打印和通信等按鍵，以完成對應(yīng)功能.顯示電路用以顯示檢驗和測試結(jié)果.

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件程序流程如圖5所示.系統(tǒng)上電后，采用中斷掃描的方式，判斷功能鍵鍵值.當(dāng)按鍵為測量功能時，進行相應(yīng)的開關(guān)控制，計算并顯示電流互感器的各項參數(shù)；按鍵為通信功能時，則進行數(shù)據(jù)的傳輸;當(dāng)按鍵為參數(shù)設(shè)置功能時，則將互感器的校驗參數(shù)和各種標(biāo)稱值輸入系統(tǒng).

4 實驗結(jié)果

在同等條件下，分別用標(biāo)準(zhǔn)電流表與電流互感器一次側(cè)線圈、二次線圈串聯(lián)，測量一次電流和二次電流.與本系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)比較，得到實驗數(shù)據(jù)，如表1所示.該實驗數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)電流等級可達0.1級，并通過精確計算，角差精確到分，比差可達0.03%.

表1 實驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Experimental data table

5 結(jié)論

通過深入討論電流互感器現(xiàn)場測試儀的工作原理和軟硬件設(shè)計，給出了相關(guān)計算公式和測試結(jié)果，研究成果具有一定的市場推廣價值.

參考文獻：

[1] 肖海紅，王克甫．低壓計量裝置綜合誤差現(xiàn)場校驗儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．電氣應(yīng)用，2011(1):57-59．

[2] 王路．二次實際負載對電流互感器誤差的影響[J]．硅谷，2011(1):23-24．