电流比较仪在损耗测量仪器中的应用 - Current Comparators in AccuLoss System

THE APPLICATION OF CURRENT COMPARATORS IN INSTRUMENTATION FOR LOSS MEASUREMENTS

电流比较仪在损耗测量仪器中的应用

Duane Brown, Measurements International

 

 

摘要

 

一种应用于几种辅助仪器的电流比较仪技术，可用于测量中大型变压器的损耗，实现精确的功率测量。这些仪器包括额定输出为120伏的高压有源分压器、额定输出为1安培的电流互感器和精密功率计。每个仪器中使用两级补偿电流互感器技术，以分别在幅值和相位上实现<10 PPM的不确定度。在高压分压器中，电流比较仪被用于反馈回路，用于修正相关输出的幅值和相位误差。本文讨论了所使用的技术以及仪器的相关不确定度，以实现在所有功率因数下的全范围系统不确定度<50 PPM。

 

引言

 

随着工业经济的不断增长，高电压和低功率因数下电力和能量的测量变得越来越重要，作为降低成本的一种方式。需要一种更精确的方法将这些电压和电流缩小到可用水平。对于大多数实际应用，中大型变压器已经足够满足这一要求，并且它们的技术不太可能发生重大变化。因此，更精确的功率和能量测量将需要更准确的测量系统，并确保与国家实验室的SI单位相符。

在单位功率因数下，准确了解电压和电流大小至关重要，但允许在这两个量之间的相位角中具有相当大的自由度。然而，这种相位角容差随着功率因数的降低而减小，而幅度要求则会发生相应的松弛。

例如，大型高压并联电抗器设计为在非常低的功率因数下运行，通常为0.001至0.004。对于在0.001功率因数下精确到实际功率1%的功率测量，需要<10 μrad的相位角误差。

为了进行精确的功率测量，特别是在这些低功率因数条件下，使用特殊的高精度电流互感器（例如两级补偿电流互感器）完成电流调节。这些高精度电流互感器用于测量系统的电流输入和精密功率计的电流输入。电压调节是使用基于电流比较仪的有源分压器和高压标准电容器完成的。

为了进行精确的电流测量，电流互感器的次级电流应精确到其额定电流的1%至100%。为了进行精确的电压测量，输出电压在电压侧的精度也应在其额定电压的1%至100%之间。

 

损耗测量系统的电流输入

 

两级补偿电流互感器

AccuLoss™系统的电流输入由三个高压两级补偿电流互感器提供。两级补偿电流互感器基本上是具有三个绕组和两个磁芯的四线变压器。

 

图1：两级电流互感器

 

内磁芯由高磁导率环形磁芯和辅助绕组组成。外磁芯是放置在第一磁芯和辅助绕组周围的磁屏蔽。这种复合变压器在零负荷运行时具有近乎理想变压器的特性。流过高压套管母线的初级电流被提供给比率绕组。在零负荷操作中，与匝数比的偏差在幅度和相位上约为百万分之几。

 

两级补偿电流互感器类似于三绕组变压器，不同之处在于辅助绕组或补偿绕组的匝数与次级绕组的比率绕组相同。这两个绕组通过单独的引线连接到功率计上的电流输入，以最小化绕组和引线共有的阻抗。功率计的电流输入也是一个两级补偿电流互感器。因此，AccuLoss™系统的输入电流互感器可在零负载下有效运行，从而将其误差降至几ppm。 长达 60 米的引线长度似乎不会对测量造成任何误差。

 

所有电流互感器的设计都旨在保持高达一欧姆负载的精度。这足以弥补功率计范围对电流互感器施加的负担。

性能

输入变压器在电流互感器的整个范围内进行校准，从2000A到1A，并在系统安装的指定引线长度下进行校准。电流互感器的典型校准报告如下表1所示。用于此特定校准的电缆长度约为60米。

 

表1：电流比较仪校准

 

校准结果的数值不应被视为修正系数，因为测量的不确定度可能与误差一样大或更大。电流互感器使用标准电流互感器测试仪进行校准，如图2所示。功率计的负载由具有补偿电流输入的功率计提供。在加拿大国家研究委员会校准的标准电流互感器为校准提供了跟踪能力。

 

图2：使用CT测试装置进行电流互感器校准。

 

损耗测量系统的电压输入

 

AccuLoss™系统的电压输入使用高压标准基准电容器和有源分压器提供，电流比较仪反馈以低压标准电容器为基准。

电流比较仪高压有源分压器

有源分压器基本上是电容分压器的低压臂，由低损耗高压标准电容器和具有容性反馈的运算放大器组成。电容反馈是低压标准电容器。

在传统的高压分压器中，必须针对聚苯乙烯电容器和放大器电路中耗散元件引起的相位误差以及电容器和放大器电路的温度变化引起的电容变化引起的幅度误差进行调整。

传统分压器的输出为：

在校准期间，α和β即分频器的同相和正交误差可以调整为零。然而，由于电路的漂移，更重要的是聚苯乙烯电容器的漂移以及电容器和放大器电路的相关温度系数，很难保持幅度和相位精度。由于这些影响，通常需要每年校准两次传统的高压分压器。根据校准间隔，不确定度方程必须包括分压器的耗散和幅度分量的校准不确定度和漂移不确定度。

在基于电流比较仪的高压分压器中，电流比较仪提供了一种自动校正幅度和相位误差的方法，而无需调整控制。

基于电流比较仪的分压器的简化原理图如图3所示。使用电流比较仪将低损耗高压电容器（CH）中的电流与将输出电压VL施加到稳定的低损耗标准电容器（CL）获得的电流进行比较。

图3：电流比较仪高压有源分压器

由于EL的幅度和相位误差，电流比较仪将不处于安培匝平衡状态。从检测绕组ND输出得出的电流差通过反馈电路添加到固体介电电容器Cf中的电流中，从而在VL处产生高精度和自平衡电压。因此，反馈电路用于在电流比较仪中提供安匝平衡，以校正输出电压VL的幅度和相位误差。

基于电流比较仪的的分压器的输出电压VL由下式给出

由上式可知，CH和CL的电容比以及电流比较仪绕组比决定了分压器输出。提供多个增益级，以确保输出电压始终以满量程或接近满量程工作。为了改变高压分压器的增益，需要降低电流比较仪绕组比（N2/N1）以保持安匝平衡。用于改变电子增益和绕组比的继电器同时驱动，以保持绕组比乘以增益恒定。分压器的增益设置为1、2、5、10、20、50和100，其中增益1对应于VH为100kV时的电压，相反，增益为100表示VH为1kV时的输入电压。

高压分压器的不确定度等于两级电流互感器的不确定度以及CH和CL的不确定度。

 

低损耗电容器和反馈电容器

为了使分压器具有零温度系数和无损耗高压电容器CH，分压器的稳定性和精度由低损耗标准电容器的稳定性和精度以及反馈电路的增益决定。

电容器CL是一款1000 pF低损耗标准电容器，具有耗散和幅度误差以及几PPM的温度系数。反馈电容Cf是一个0.1 μF聚苯乙烯电容，其温度系数约为100 ppm/℃。选择了CL和Cf的电容值，以便为100kV输入提供100伏的标称输出电压。

电流比较仪

高压分压器中的电流比较仪是一个两级电流比较仪环形变压器，一个磁芯在另一个磁芯内。比率匝数由可变的N1和N2相等匝数组成。补偿绕组N3与N2并联，N2具有相同的匝数以降低其泄漏阻抗。检测绕组ND连接到电流-电压转换器，以获得与电流比较仪中不平衡安培匝数成比例且同相的电压。

反馈电路

反馈电路的增益约为100，足以使反馈电路校正固体介电反馈电容器（Cf）的耗散因数和电容变化。反馈电路设置为100%。

性能

高压分压器的比率是使用一组无损耗气体介质标准电容器和高压电容桥来检查的。由于这是比率校准，因此只有电容器组的短期稳定性很重要，并且根据历史和环境条件分配了<2 PPM的不确定度。高压电容桥的比率精度可以验证为<5 PPM。

图 4： 高压分压器校准

 

比率误差根据以下公式计算：

比率误差 =（测量比率 – 计算比率）

计算比率

 

表2：比率误差校准的结果

 

可见分压器在所有比率下的误差，幅度误差优于±10PPM，正交误差10μrad。校准不确定度为5 PPM。但是，不应将误差视为偏移或更正，而应视为不确定度。

 

环路增益检查

高压分压器有两种可以操作的条件，开环和闭环。为了验证环路增益和电流比较仪反馈是否正常工作，可以使用增益调整电位计引入误差。 增益调整电位计和零点指示器位于分压器的前面板上。在开环条件下，可以调整增益调整电位计，以引入零点指示器上指示的误差。例如，在开环模式下引入的 500 PPM 误差应在闭环时减少到 5 PPM。在运行中，分压器始终在闭环中运行。

 

功率测量

AccuLoss™ 系统的功率测量使用时分复用 （TDM） 功率计提供。TDM功率计在电流输入端有一个两级补偿电流互感器，在电压输入端有一个稳定的电阻分压器。

提供电流范围以允许在满量程或接近满量程下执行所有测量，以保持系统的满量程精度。经验证，功率计的线性度在每个范围内从 100% 到 10% 都小于 20 PPM。功率计通常校准为低于 30 PPM。

 

功率计电流输入

功率计的电流输入由两个两级电流互感器组成，提供 5、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01 和0.005 安培两款电流互感器均为补偿两级电流互感器，其幅度和相位的不确定度为<10 PPM。

如表1所示，AccuLoss™系统输入电流互感器的线性度在2000A至1A的范围内为<10 PPM。该电流的缩放是使用功率计中的电流互感器提供的。对于10A的系统初级输入电流和比率为2000:1的电流互感器，功率计将放置在0.005A输入范围内。由于功率计具有出色的线性度，因此电流可低至1安培。

功率计的校准使用功率校准系统进行，其不确定度<30 PPM，如图5所示。

AccuLoss™ 系统是全自动的，每个量程的功率计都可以轻松校准为满量程的100%和10%。功率计通常在 3 天内校准。基于TDM原理的功率计没有反馈，需要每年校准以确定其一年漂移率不确定度，这将被添加到功率计不确定度方程中。

 

图 5：PCS 框图

功率计不确定度根据系统不确定度（PPM）的RSS和n个读数的标准偏差（PPM）计算得出，如下所示：

 

AccuLoss™ 系统不确定度分析

 

在执行损耗测量测试时，应通过从功率计获取“n”个读数来获得系统的A类不确定度。A类不确定度是系统不确定度的和方根（RSS）。A类不确定度将取决于向被测变压器和AccuLoss™系统提供电压和电流的源的质量。

 

对于AccuLoss™系统，各个校准报告中的以下B类分量会增加系统的不确定度。

 

高压标准基准电容器        10 PPM

高压分压器        10 PPM

高压电流互感器        10 PPM

功率计        35 PPM

 

使用和方根（RSS）方法计算不确定度，AccuLoss™系统的B型不确定度计算如下：

SysUnc = “满量程”的40 PPM

 

要将 40 PPM 转换为不同功率因数的等效不确定度，请将 40 PPM 不确定度除以功率因数。

 

例：

“满量程”系统不确定度（SysUnc）等于40 PPM。要确定功率因数为 0.01 时的等效不确定度，请将 40 PPM 除以 0.01。

SysUnc (100% 量程) = 40 PPM /0.01 = 4000 PPM 或 0.4%.

 

所有不确定度均表示为 2 西格玛 （2σ=95%）。

 

结论

电流比较仪技术已应用于AccuLoss™系统中的几种测量仪器，以确保精度<50PPM。电流比较仪技术应用于电流互感器、高压分压器的反馈和功率计的电流输入。通过MI公司和NRC的校准，当前比较器技术的不确定度已被验证为<10 ppm。

高压电流互感器采用无源设计，不会随时间漂移。在基于电流比较仪的高压分压器中，电流互感器会自动校正幅度和相位的漂移，并且不需要每年校准。

功率计确实在电流输入端使用电流比较仪，但建议每年校准一次功率计，以开发有关电子设备漂移的历史数据。

 

参考文献

The Application of the Current Comparator in Instrumentation for High Voltage Power Measurements at Low Power Factors.

Eddy So, NRCC

IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PWRD- 1, No.1, January 1986.

 

A Current Comparator Based System for the Calibration of Active / Reactive Power and Energy Standards.

Duane Brown & Andrew Wachowicz, Measurements International Limited, Prescott, Ontario Canada

SYMETRO 1996