直流电能纹波影响试验装置校准

2019-06-24周新华董艺维

自动化仪表 2019年5期

肖涛，周新华，董艺维

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州 310014；2.长沙天恒测控技术有限公司，湖南长沙 410100)

0 引言

随着科技发展，生产力发展需求不断提升，直流电在很多领域所占比重越来越大。如国家正在大力推广的新能源轨道交通、电动汽车、光伏系统，以及常见的地铁索引系统等[1-2]。在我国，单纯交流电能和单纯直流电能的计量相对成熟，但是实际使用中，直流电中会包含大量的纹波，这些纹波会对单一的直流电能计量造成误差。目前，对纹波影响下的直流电能计量则处于起步阶段[3-4]。

2017年，国家施行了GB/T 33708-2017《静止式直流电能表》[5]，其中明确了直流纹波影响试验的做法和误差改变限值。具体方法是在试验装置的电压及电流输出中加入一定量的标准交流信号，要求直流电能表测定的电能误差不能超过其改变限值。目前市场上已经出现了可以进行此项试验的检定装置[6-7]，但是并没有一款能同时测量直流和纹波的标准表去校准这类装置。本文设计了一个以标准表法为理论依据的校准系统。

1 校准装置

直流电能纹波影响试验装置的校准[8-9]所需要的标准设备有：精密交直流电压分压器(如TH0150，量程为10～1 000 V)，精密交直流同轴分流器(如TH0400，量程为1 mA～100 A)，单增益精密缓冲器(如TH0600)，双路电压矢量分析系统(如TH3200)。

TH0150为精密交直流电压分压器，可将各种量程电压按一定的比值k1变换成1 V电压，并保持极小相移。其工作频率从DC～100 kHz，最大交直流差最优为±10×10-6，最大相移最优为±5 μrad、TH0400为精密交直流同轴分流器，可将各种量程电流按一定比值k2变换成1 V电压，并保持极小相移。其工作频率从DC～100 kHz，最大交直流差最优为±20×10-6，最大相移最优为±10 μrad。TH0600是专用于将高内阻信号转化为低内阻输出的精密缓冲器，增益为1。采用电池供电，能够把噪声和干扰降低到最低水平，最大交直流差最优为±20×10-6。

校准装置原理框图如图1所示。

图1 校准装置原理框图

TH3200是超高精度的双通道电压矢量分析系统，通过同步采样技术，可同时测量并计算分析双通道电压幅值、频率、相位、功率、电能等多个变量。其电压测量范围为0.1 mV～11 V，频率范围为0～100 kHz。它可以对双路电压进行隔离同步采样，并实现双路电压矢量计算。通过嵌入式软件，输入分压器、分流器的比率，计算电压、电流、功率和电能，同时能把功率转化为脉冲输出，方便电能表的检定。其功率和电能最高准确度达±20×10-6。以TH3200为标准表，可以对被校试验装置的电压和电流各量程进行校准和标定。被校试验装置的电能传递函数可表示为：

(1)

式中：k1为TH0150分压器的变比；k2为TH0400分压器的变比；u1(t)为TH3200输入口1测量值；u2(t)为TH3200输入口2测量值。

本文提出的方法可以对各种直流电能纹波影响试验的装置进行校准。以TD1580直流电能表综合检测装置为例，其输出性能如表1所示。其中，电压型电流(小信号电压)适用于电压型输入的电流间接接入仪表，在本系统中归为电压处理。

表1 试验装置输出性能

2 校准方法

校准时，要求试验室的环境温度为(20±1)℃；相对湿度为60%±15%；无外电场、外磁场影响，无离子辐射影响。被校试验装置和所有标准设备需要通过预热4 h以上，所有的导线采用低热电势测试线，并且尽量短，最好带屏蔽层。

被校试验装置同时带纹波输出，根据不同的量程选择对应的分压器(TH0150)和分流器(TH0400)，得到两个采样电压，将它们均经过缓冲器(TH0600)缓冲，最后用矢量分集仪(TH3200)进行分测量分析。根据其计数值，对被校试验装置进行功率和电能的校准。电压和电流范围为可输出纹波的所有量程，参比电压、参比电流以及纹波含量参照GB/T 33708-2017《静止式直流电能表》的要求，纹波的频率从100～1 000 Hz取数点，纹波的功率因数从-1～+1取数点。

理论上，选取一个交叉量程档位，即可完成直流电能纹波影响试验装置电能校准。

3 不确定度分析

根据GB/T 33708-2017《静止式直流电能表》的要求，直流电能纹波影响试验中所涉及的纹波频率为300 Hz，纹波含量最大不超过20%。本文中的TD1580直流电能表综合检测装置，其纹波频率为100～1 000 Hz。对于频率较低和幅值较小的校准系统，在选取了性能良好、长度合适的线材后，导线对不确定度所造成的影响可以忽略不计。

本文中校准方法的不确定度[10]主要来自于精密交直流电压分压器TH0150、精密交直流同轴分流器TH0400、单增益精密缓冲器TH0600和双路电压矢量分析系统TH3200，它们均会对幅值和相位产生不确定度的影响。

当各不确定度分量独立不相关时，合成标准不确定度可按照以下公式计算：

(2)

3.1 交直流电压分压器

3.2 交直流同轴分流器

3.3 单增益精密缓冲器

3.4 双路电压矢量分析系统

3.5 总体不确定度

上述四个部分的不确定度分量独立不相关，则合成标准不确定度可按照式(3)计算：

(3)

计算可得本直流电能纹波影响试验装置校准方法的总体不确定度为：UC=52.5×10-6(k=2，ρ=95%)。

4 试验结果

本校准系统将分压器和分流器参数输入到双路电压矢量分析系统后，通过被校试验装置输出含纹波的直流电压和电流，能够在双路电压矢量分析系统的显示界面上得到电流、电压、相位和电能等信息。以此为据，可对被校试验装置进行校准。

根据GB/T 33708-2017《静止式直流电能表》中直流纹波影响试验要求，在直流输出为1 000 V、100 A以及纹波输出200 V、20 A状态下，纹波频率分别取100 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz，功率因数分别取1、0.5 L和0.5 C，得到校准结果如表2所示。