400kA量级电流传感器校准的方法研究

李亚,李庆媛，王林森，武旭

（中科院等离子体物理研究所，安徽合肥，230031）

0 引言

国家和城市的快速发展，社会对用电需求量越来越大，电解铝厂、电力机车、可控热核聚变装置等领域普遍使用超大电流传感器，在这些应用领域，主回路电流高达几十到几百kA，有的可以达到MA级别。测量这么大电流，也得保证电流传感器的准确性，准确性对企业产品质量要求、科学研究等方便起着较大作用，那就要计量溯源。0～ 60kA直流稳态电流传感器可以到国家高电压计量站进行校准溯源，采用直接比较法，标准源的测量不确定度非常小，可以达到10-7；0～ 130kA直流脉冲电流传感器可以到上海电器设备检测所进行校准溯源，采用直接比较法，标准源的测量不确定度也可以达到10-3，而几百kA电流传感器校准溯源一直是个计量难题，溯源比较困难，没有那么大量程的标准电流传感器。传统技术也可以采用等安匝法实现400kA甚至更高量程电流传感器校准溯源，等安匝线圈可以是方形结构或是圆形结构，中心磁场强度比较大，被校电流传感器会受到等安匝线圈中心磁场的干扰，影响测量结果。本文阐述一种并联分流进行400kA等超大量程电流传感器的校准方法。

1 400kA电流传感器等安匝法校准

1.1 校准原理

等安匝法校准超大电流如图1所示，电流从电源正极出来，经过母排，穿过标准电流传感器，连接等安匝线圈，回到电源负极。需要用到设备仪器有：标准电流传感器、被校电流传感器、数字多用表、电源，其中标准电流传感器和数字多用表是标准器具经外部校准并确认合格，标准电流传感器准确度等级0.2级，比例系数为K1单位A/V，电源是稳态直流电源，被校电流传感器直接测量等安匝线圈的电流，准确度等级1.0级，比例系数为K2单位A/V，数字多用表1测量标准电流传感器输出电压V1，数字多用表2测量被校电流传感器输出电压V2，通过公式（1）计算电源主回路电流I1：

表1 250kA及380kA校准结果

图1 等安匝法校准示意图图

通过公式（2）可计算N匝线圈电流I2：

假设电源单匝母排可以稳态通电流I1=4000A，等安匝线圈有100匝，总的等安匝线圈电流I3根据公式（3）计算：

通过比较I3与I2的值完成等安匝法校准超大量程电流传感器。等安匝法校准超大量程电流传感器，依赖于等安匝线圈的加工精度，匝数的控制，匝与匝之间的间隙，绝缘强度等级，线圈的尺寸，线圈的形状等。

2 400kA电流传感器并联分流法校准

2.1 校准背景平台

并联分流方法依托大功率电气设备检测中心平台，该平台有4套大功率可控硅晶闸管整流器，通过串并联组合，实现大电流输出，可进行高温超导电流引线、大功率直流隔离开关、直流电抗器、半导体开关、半导体变流器、直流母排等温升试验及短时耐受电流试验检测。其主回路结构如图2所示，最大电流输出能力为：

图2 直流测试平台主回路结构图

(1)最大稳态可持续电流：120kA；

(2)最大短路冲击脉冲电流：450kA。

2.2 校准原理

依据大功率电气设备检测中心直流测试平台主回路结构图，CU1～ CU4是4套参数完全一致的可控硅晶闸管整流器，每套稳态电流30kA、短时暂态电流120kA，I1～ I4是4套罗氏线圈电流传感器，量程为130kA，准确度等级为0.5级，分别测量4套整流器输出电流；I总-1为罗氏线圈或者光纤电流传感器，量程为500kA，准确度等级为3.0级，用来测量主回路电流；I总-2为光纤电流传感器，是从上海电器设备检测所校准溯源并确认合格的标准电流传感器，量程为130kA，准确度等级为0.2级，用来测量主回路电流（0～ 130kA）、比对4套整流器电流传感器，根据并联分流公式：

2.3 校准程序

(1)通电前，检查需要用到的仪器设备状态、现场温湿度环境；

(2)根据大功率直流测试平台的特点，进行必要的校准前准备，比如（空载测试，开环测试，闭环测试）；

(3)设备比对试验，验证I1～ I4电流传感器测量结果是否准确，就是让每套整流器单独工作，比如验证I1，只让CU1整流器单独工作， CU2～ CU4不启动，查看I1与I总-2之间的比对结果，是否符合0.5级的要求。以此类推查看I2～ I4的比对结果；

(4)用比对好的I1～ I4校准I总-1电流传感器，记录数据。

2.4 校准波形及结果

现提供250kA及380kA测试波形和结果。

图3 250kA短路冲击波形

图4 380kA短路冲击波形

图中Irog-cu1～ Irog-cu4是I1～ I4电流传感器测量的电流值，Irog-总是I总-1电流传感器测量的电流值，可以看出在短路冲击校准时，被校电流传感器测量的电流与4套整流器电流上升、下降时间一致，无相位误差。表1中可以得出，在250kA及380kA冲击电流下，被校电流传感器测量结果满足精度要求。

3 结论

本文主要开展了400kA量级超大量程电流传感器的校准工作，并通过现有的大功率直流测试平台得到验证，分析通过并联分流的方法在超大量程电流传感器校准计量的可行性和实用性。