CN114200379A - 一种自平衡比较仪式互感器校验仪及其测试方法 - Google Patents

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CN114200379A
CN114200379A CN202111460140.3A CN202111460140A CN114200379A CN 114200379 A CN114200379 A CN 114200379A CN 202111460140 A CN202111460140 A CN 202111460140A CN 114200379 A CN114200379 A CN 114200379A
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闫宪峰
赵屹涛
苏跃龙
郝斌
范浩
岳小云
张长千
王磊
任秀伟
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Abstract

本发明涉及一种自平衡比较仪式互感器校验仪及其测试方法，I/V转换单元将电流比较仪工作电流通过取样电阻r转换成工作电压；阻容分流单元与I/V转换单元、电压互感器、数字纳安表和中央控制单元电性连接，工作电压通过电压互感器转换成具有极性的同相电压和正交电压；阻容分流单元将同相电压和正交电压分别转换成同相分量和正交分量，并输入数字纳安表；数字纳安表通过A/D与中央控制单元连通。本发明采用嵌入式控制模块，自主平衡，自动控制，数据自动传输，误差数据直接显示，解决了传统电工型校验仪测试效率低，抄录错误现象，实现了校验仪测试过程的自动控制，数据网络化传输，提高了智能化水平；极大地提高了测试精度。

Description

一种自平衡比较仪式互感器校验仪及其测试方法
技术领域
本发明涉及电测量领域，具体涉及一种自平衡比较仪式互感器校验仪及其测试方法。
背景技术
比较仪式互感器校验仪是测量高准确度(准确度高于0.001级)电流比例误差的装置，传统电工型比较仪式互感器校验仪采用指针仪表、手动拨盘进行电桥平衡调节，存在以下弊端：1、指针式仪表存在人工读取误差；2、手动拨盘调节电桥平衡时存在人工读取指示数据错误现象，影响最终误差数据的正确性；人工拨盘长时间操作存在接触不良现象，影响误差正确测量与显示；人工拨盘需要反复调节同相分量和正交分量，平均测试时间大于5min，测试效率低；3、误差数据依赖人工读取和抄录，存在数据读取和抄录错误现象，且不具备数字化和网络化传输功能；4、误差测量范围窄，不具备更高准确度电流比例测量能力；5、不具备智能控制功能。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，本发明提供了一种自平衡比较仪式互感器校验仪，采用工作电压下应用电流比较仪测小电流原理，将工作电流转换成工作电压，通过阻容分流分解为同相电流和正交电流平衡电流比较仪测试线路输入的差值电流，再通过数字纳安表测试输入电流节点的弱电流信号，通过电流反馈调节同相电流和正交电流，使节点电流无限接近零电流，实现自主调节电流平衡，测定电流比较仪或电流互感器误差。
为了达到上述目的，进而采取的技术方案如下：一种自平衡比较仪式互感器校验仪，包括中央控制单元、与中央控制单元电性连接的显示终端和通信模块，以及为各模块供电的电源模块，其特征在于，还包括：
I/V转换单元，将电流比较仪工作电流通过0.1Ω的取样电阻r转换成工作电压；
电压互感器，将工作电压转换成具有极性的同相电压和正交电压；
阻容分流单元，与电压互感器和数字纳安表电性连接，阻容分流单元将同相电压和正交电压分别转换成同相分量Ig和正交分量Ic，同相分量Ig和正交分量Ic与差值电流△I注入同一电流节点A1，并输入数字纳安表；
数字纳安表，通过A/D与中央控制单元连通，用于对注入电流节点A1的电流进行判断，并通过中央控制单元反馈给阻容分流单元；
所述I/V转换单元包括取样电阻r，取样电阻r并联接入电流比较仪工作电流输入端的To和Tx端；
所述电压互感器包括接入电流比较仪To和Tx端的线圈组A以及作为输出端的线圈绕组a’和线圈绕组a’’；
所述阻容分流单元包括同相电子开关Kf、可调电阻G、正交电子开关Kδ和可调电容C，所述同相电子开关Kf和可调电阻G串联，且同相电子开关Kf接入线圈绕组a’极性端“+”，正交电子开关Kδ和可调电容C串联，且电子开关Kδ接入线圈绕组a’’极性端“+”，可调电阻G、可调电容C和差值电流△I的K端接入电流节点A1，差值电流△I的D端通过继电器J1常闭触点与线圈绕组a’和线圈绕组a’’的中心点G0连接，并且接地，同时，差值电流△I的K端连接继电器J1常开触点，D端连接继电器J1公共触点，继电器J1常闭触点连接中心点G0，以及电流节点A1接入数字纳安表，调节可调电阻G和可调电容C使电流节点A1电流小于0.1nA；
所述数字纳安表包括电阻R、运算放大器、电阻R3、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，所述电阻R接入数字纳安表的K’和D’端之间，K’连接电流节点A1，D’端连接电压互感器中心点G0，运算放大器接入K’端和接地点，所述电阻R3首端和尾端分别与运算放大器的Vp端和Vo端连接，运算放大器Vo端与电阻R1首端连接，电阻R1尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端接入D’端，同时，电容C2首端与电阻R1尾端连接，电容C2尾端与电阻R2首端连接，电阻R2尾端接入D’端，以及数字纳安表的K’和D’线路输出端与A/D连接。
优选地，所述I/V转换单元通过0.1Ω的取样电阻为将电流比较仪比例绕组二次电流转换成工作电压。
优选地，所述电阻R=1K～10K，电阻R3=0.1K～100K，电阻R1=1K，电阻R2=1K～100K，电容C1=100μF，电容C2=0.1μF。
优选地，所述同相电子开关Kf和正交电子开关Kδ型号为Omron G3VM，继电器J1型号为DS2Y-12，运算放大器型号为OPA140，A/D芯片型号为AD7606。
优选地，所述中央控制单元采用STM32系统MCU，32位高性能处理器。
优选地，所述显示终端通过modbus通讯协议连接中央控制单元。
优选地，所述电源模块通过AC/DC电路和内附锂电池供电，锂电池容量≥16.8V*7.5Ah；
锂电池通过DC/DC电路将DC16.8V电源转换为DC12V电源为显示终端和电子开关供电，转换为DC5V电源为电子线路和中央控制单元供电。
一种自平衡比较仪式互感器校验仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电流比较仪比例绕组二次电流I2n通过r=0.1Ω取样电阻转换成工作电压U2n；
通过阻容分流，将工作电压U2n转换成具有极性的同相电压Ug和正交电压Uc,同相电压Ug和正交电压Uc通过十进制阻容阵列转换成小电流信号的同相分量Ig和正交分量Ic，并汇集于差值电流节点A1；
通过数字纳安表测试输入电流节点A1的弱电流信号进行判断，并反馈，根据反馈信息调节可调电阻G和可调电容C，使电流节点A1电流小于0.1nA；
通过电流反馈调节同相电流Ig和正交电流Ic，使电流节点A1的电流无限接近零电流，实现自主调节电流平衡，测定电流比较仪或电流互感器误差，并显示误差结果，同时，根据需要进行数据上传和测试控制。
作为本发明进一步的改进：所述工作电压U2n：Ug=1:1，工作电压U2n：Uc=1:0.3183。
本发明的有益效果是：
本发明采用嵌入式控制模块，自主平衡，自动控制，数据自动传输，误差数据直接显示，解决了传统电工型校验仪测试效率低，人工读取抄录错误的现象，而且实现了校验仪测试过程的自动控制，数据网络化传输，提高了智能化水平；误差测量最小读数：同相部分为1×10-9，正交部分为1×10-9rad，内附数字纳安表灵敏度为1×10-10A，极大地提高了测试精度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的系统控制原理图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为本发明中涉及数字纳安表的工作原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
请参考图1-3：
一种自平衡比较仪式互感器校验仪，包括中央控制单元1、与中央控制单元1电性连接的显示终端2和通信模块3，以及为各模块供电的电源模块4，还包括：
I/V转换单元5，将电流比较仪工作电流通过0.1Ω的取样电阻r转换成工作电压U2m；
电压互感器7，将工作电压U2m转换成具有极性的同相电压和正交电压；
阻容分流单元6，与数字纳安表8和电压互感器7电性连接，阻容分流单元6将同相电压和正交电压通过十进制阻容阵列转换成小电流信号的同相分量Ig和正交分量Ic，同相分量Ig和正交分量Ic与差值电流△I注入同一电流节点A1，并输入数字纳安表8，数字纳安表8将同相电流Ig、正交电流Ic及差值电流△I的总电流通过电阻取样、放大、滤波电路得到节点微电流，经A/D 9转换输入中央控制单元1，中央控制单元1根据A/D 9转换输入的数字信号调节电阻电容阵列及同相电压和正交电压极性，通过连续负反馈循环使数字纳安表8指示小于0.1nA，同时中央控制单元1根据电阻电容值折算成同相电流Ig和正交电流Ic值，得到被测小电流相对于工作电压U2m的同相分量△Ix，△Ix=-Ig，正交分量△Iy，△Iy=-Ic，从而得到被检互感器相对于电流比较仪的误差f和δ；
数字纳安表8，通过A/D 9转换与中央控制单元1连通，用于对测得的电流节点A1电流进行判断，并通过中央控制单元1反馈给阻容分流单元6；
所述I/V转换单元5包括取样电阻r，取样电阻r并联接入电流比较仪工作电流输入端的To和Tx端；
所述电压互感器7包括接入电流比较仪To和Tx端的线圈组A以及作为输出端的线圈绕组a’和线圈绕组a’’；
所述阻容分流单元6包括同相电子开关Kf、可调电阻G、正交电子开关Kδ和可调电容C，所述同相电子开关Kf和可调电阻G串联，且同相电子开关Kf接入线圈绕组a’极性端“+”，正交电子开关Kδ和可调电容C串联，且电子开关Kδ接入线圈绕组a’’极性端“+”，可调电阻G、可调电容C和差值电流△I的K端接入电流节点A1，差值电流△I的D端通过继电器J1常闭触点与线圈绕组a’和线圈绕组a’’的中心点G0连接，并且接地，同时，差值电流△I的K端连接继电器J1常开触点，D端连接继电器J1公共触点，继电器J1常闭触点连接中心点G0，以及电流节点A1接入数字纳安表，调节可调电阻G和可调电容C使电流节点A1电流小于0.1nA；上述的同相电子开关Kf和正交电子开关Kδ型号为Omron G3VM，继电器J1型号为DS2Y-12；
所述I/V转换单元5通过0.1Ω的取样电阻将电流比较仪比例绕组二次电流I2m转换成工作电压U2m；
所述中央控制单元1采用STM32系统MCU，32位高性能处理器，连接电源模块4、阻容阵列反馈控制、A/D 9、控制信号输出及通信模块3；所述显示终端2通过modbus通讯协议连接STM32中央控制单元1，显示终端2接收电流量程、功能切换、精度选择等参数触摸输入，显示输出：电流百分表，误差同相分量和正交分量以及测量状态显示；所述电源模块4通过AC/DC电路内附锂电池供电，锂电池容量≥16.8V*7.5Ah；锂电池通过DC/DC电路转换为12V电源为显示终端2和电子开关供电，转换为5V电源为电子线路和中央控制单元1供电。
一种自平衡比较仪式互感器校验仪的测试方法，包括以下步骤：
将电流比较仪比例绕组二次电流I2n通过r=0.1Ω取样电阻转换成工作电压U2n；
通过阻容分流，将工作电压U2n转换成具有极性的同相电压Ug和正交电压Uc，并通过十进制阻容阵列转换成小电流信号的同相分量Ig和正交分量Ic，并汇集于差值电流节点A1，U2n：Ug=1:1，U2n：Uc=1:0.3183；
通过数字纳安表8测试输入电流节点A1的弱电流信号进行判断，并反馈至数字纳安表8，根据反馈信息调节可调电阻G和可调电容C，使电流节点A1电流小于0.1nA；
通过电流反馈调节同相电流Ig和正交电流Ic，使电流节点A1的电流无限接近零电流，实现自主调节电流平衡，测定电流比较仪或电流互感器误差，并显示误差结果，同时，根据需要进行数据上传和测试控制。
实施例一
基于上述内容，其中，所述数字纳安表8包括电阻R、运算放大器、电阻R3、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，所述电阻R接入数字纳安表的K’和D’端之间，K’连接电流节点A1，D’端连接电压互感器中心点G0，运算放大器接入K’端和接地点，所述电阻R3首端和尾端分别与运算放大器的Vp端和Vo端连接，运算放大器Vo端与电阻R1首端连接，电阻R1尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端接入D’端，同时，电容C2首端与电阻R1尾端连接，电容C2尾端与电阻R2首端连接，电阻R2尾端接入D’端，以及数字纳安表的K’和D’线路输出端与A/D连接；其中，所述电阻R=1K，电阻R3=0.1K，电阻R1=1K，电阻R2=1K，电容C1=100μF，电容C2=0.1μF，此外，运算放大器型号为OPA140，A/D芯片为AD7606。
实施例二
基于上述内容，其中，所述数字纳安表8包括电阻R、运算放大器、电阻R3、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，所述电阻R接入数字纳安表的K’和D’端之间，K’连接电流节点A1，D’端连接电压互感器中心点G0，运算放大器接入K’端和接地点，所述电阻R3首端和尾端分别与运算放大器的Vp端和Vo端连接，运算放大器Vo端与电阻R1首端连接，电阻R1尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端接入D’端，同时，电容C2首端与电阻R1尾端连接，电容C2尾端与电阻R2首端连接，电阻R2尾端接入D’端，以及数字纳安表的K’和D’线路输出端与A/D连接；其中，所述电阻R=5.5K，电阻R3=5K，电阻R1=5K，电阻R2=1K，电容C1=100μF，电容C2=0.1μF，此外，运算放大器型号为OPA140，A/D芯片型号为AD7606。
实施例三
所述数字纳安表8包括电阻R、运算放大器、电阻R3、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，所述电阻R接入数字纳安表的K’和D’端之间，K’连接电流节点A1，D’端连接电压互感器中心点G0，运算放大器接入K’端和接地点，所述电阻R3首端和尾端分别与运算放大器的Vp端和Vo端连接，运算放大器Vo端与电阻R1首端连接，电阻R1尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端接入D’端，同时，电容C2首端与电阻R1尾端连接，电容C2尾端与电阻R2首端连接，电阻R2尾端接入D’端，以及数字纳安表的K’和D’线路输出端与A/D连接；其中，所述电阻R=10K，电阻R3=10K，电阻R1=1K，电阻R2=100K，电容C1=100μF，电容C2=0.1μF，此外，运算放大器型号为OPA140，A/D芯片型号为AD7606。
依据上述实施例，本发明自平衡比较仪式互感器校验仪具备“调零”和“比较仪”两个功能。
“调零”功能用于电流比较仪通过外附负荷调零箱调节电流比较仪工作磁通为零磁通；此时校验仪差值电流输入端K、D通过继电器J1闭合使差值电流短路。
“比较仪”功能用于电流比较仪误差测试，此时校验仪差值电流输入端K、D通过继电器J1常闭触点，保持电流比较仪差值电流输入校验仪。
其误差测试方法如下：
（1）校验仪供电，在校验仪显示终端2选择“比较仪”功能，参数输入：电流量程为5A，精度为0.2×10-6；
（2）调节电流比较仪测试电源，使校验仪电流百分数显示为20%，启动“测试”键；
（3）电流比较仪比例绕组二次电流I2=1A，校验仪工作电压为U2=0.1Ω×5A×20%=0.1V，同相电压为Ug=±0.1V，正交电压为Uc=±0.03183V。
（4）阻容分流单元6电阻电容阵列电子开关不动作，判断差值电流输入端K、D注入电流△I大小；
（5）选择电阻阵列(0～10)×10kΩ中1×10kΩ档，判断测试线路“极性反”、“变比错”等错误接线情况，如有“极性反”或“变比错”情况，应迅速调节电流比较仪测试电源，使校验仪电流百分数显示为0.0%，检查电流比较仪接线，重新测试；如没有“极性反”或“变比错”情况，可进行下一步；
（6）关闭电阻阵列(0～10)×10kΩ中1×10kΩ档，选择电阻阵列(0～10)×100kΩ中1×100kΩ档，判断注入电流△I变化，如△I变大则执行下一步；如电流△I变小，则在1×100kΩ档判断同相分量Ig的极性为“+”或“-”，在1×0.1μF档判断正交分量Ic的极性为“+”或“-”；极性确定后，顺序选择电阻阵列(2～9)×100kΩ档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I；同理，选择电容阵列(2～9)×0.1μF档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I，确定电阻值和电容值，执行下一步；
（7）顺序选择电阻阵列(9～0)×1MΩ档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I；同理，选择电容阵列(9～0)×0.01μF档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I，确定电阻值和电容值，执行下一步；
（8）顺序选择电阻阵列(9～0)×10MΩ档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I；同理，选择电容阵列(9～0)×1nF档，后一档△I与前一档△I进行比较，直到后一档△I大于前一档△I，确定电阻值和电容值；
（9）误差计算：由图2原理线路可知：△Ix=-Ig=Ug×G，△Iy=-Ic=Uc×ωC；
同相分量f=△Ix/I2，正交分量δ=△Iy/I2
如：电阻阵列(0～10)×10kΩ为0，电阻阵列(0～10)×1MΩ为1，电阻阵列(0～10)×10MΩ为2，极性为“-”；电容阵列(0～10)×0.1μF为0，(0～10)×0.01μF为2，(0～10)×1nF为3极性为“+”时，G=1.2×10-6S，C=0.023×314.159×10-6=7.225657×10-6F，则△Ix=-0.12×10-6，△Iy=+0.03183×7.225657×10-6=+0.23×10-6，所以同相分量f=△Ix/I2=-0.12×10-6，正交分量δ=△Iy/I2=+0.23×10-6rad。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自平衡比较仪式互感器校验仪，包括中央控制单元、与中央控制单元电性连接的显示终端和通信模块，以及为各模块供电的电源模块，其特征在于，还包括：
I/V转换单元，将电流比较仪工作电流通过0.1Ω的取样电阻r转换成工作电压；
电压互感器，将工作电压转换成具有极性的同相电压和正交电压；
阻容分流单元，与电压互感器和数字纳安表电性连接，阻容分流单元将同相电压和正交电压分别转换成同相分量Ig和正交分量Ic，同相分量Ig和正交分量Ic与差值电流△I注入同一电流节点A1，并输入数字纳安表；
数字纳安表，通过A/D与中央控制单元连通，用于对注入电流节点A1的电流进行判断，并通过中央控制单元反馈给阻容分流单元；
所述I/V转换单元包括取样电阻r，取样电阻r并联接入电流比较仪工作电流输入端的To和Tx端；
所述电压互感器包括接入电流比较仪To和Tx端的线圈组A以及作为输出端的线圈绕组a’和线圈绕组a’’；
所述阻容分流单元包括同相电子开关Kf、可调电阻G、正交电子开关Kδ和可调电容C，所述同相电子开关Kf和可调电阻G串联，且同相电子开关Kf接入线圈绕组a’极性端“+”，正交电子开关Kδ和可调电容C串联，且电子开关Kδ接入线圈绕组a’’极性端“+”，可调电阻G、可调电容C和差值电流△I的K端接入电流节点A1，差值电流△I的D端通过继电器J1常闭触点与线圈绕组a’和线圈绕组a’’的中心点G0连接，并且接地，同时，差值电流△I的K端连接继电器J1常开触点，D端连接继电器J1公共触点，继电器J1常闭触点连接中心点G0，以及电流节点A1接入数字纳安表，调节可调电阻G和可调电容C使电流节点A1电流小于0.1nA；
所述数字纳安表包括电阻R、运算放大器、电阻R3、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2，所述电阻R接入数字纳安表的K’和D’端之间，K’连接电流节点A1，D’端连接电压互感器中心点G0，运算放大器接入K’端和接地点，所述电阻R3首端和尾端分别与运算放大器的Vp端和Vo端连接，运算放大器Vo端与电阻R1首端连接，电阻R1尾端与电容C1首端连接，电容C1尾端接入D’端，同时，电容C2首端与电阻R1尾端连接，电容C2尾端与电阻R2首端连接，电阻R2尾端接入D’端，以及数字纳安表的K’和D’线路输出端与A/D连接。
2.根据权利要求所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪，其特征在于：所述电阻R=1K～10K，电阻R3=0.1K～100K，电阻R1=1K，电阻R2=1K～100K，电容C1=100μF，电容C2=0.1μF。
3.根据权利要求1所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪，其特征在于：所述同相电子开关Kf和正交电子开关Kδ型号为Omron G3VM，继电器J1型号为DS2Y-12，运算放大器型号为OPA140，A/D芯片型号为AD7606。
4.根据权利要求1所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪，其特征在于：所述中央控制单元采用STM32系统MCU，32位高性能处理器。
5.根据权利要求所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪，其特征在于：所述显示终端通过modbus通讯协议连接中央控制单元。
6.根据权利要求所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪，其特征在于：所述电源模块通过AC/DC电路和内附锂电池供电，锂电池容量≥16.8V*7.5Ah；
锂电池通过DC/DC电路将DC16.8V电源转换为DC12V电源为显示终端和电子开关供电，转换为DC5V电源为电子线路和中央控制单元供电。
7.一种自平衡比较仪式互感器校验仪的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电流比较仪比例绕组二次电流I2n通过r=0.1Ω取样电阻转换成工作电压U2n；
通过阻容分流，将工作电压U2n转换成具有极性的同相电压Ug和正交电压Uc，通过十进制阻容阵列转换成小电流信号的同相分量Ig和正交分量Ic，并汇集于差值电流节点A1；
通过数字纳安表测试输入电流节点A1的弱电流信号进行判断，并反馈，根据反馈信息调节可调电阻G和可调电容C，使电流节点A1电流小于0.1nA；
通过电流反馈调节同相电流Ig和正交电流Ic，使电流节点A1的电流无限接近零电流，实现自主调节电流平衡，测定电流比较仪或电流互感器误差，并显示误差结果，同时，根据需要进行数据上传和测试控制。
8.根据权利要求7所述的一种自平衡比较仪式互感器校验仪的测试方法，其特征在于：所述工作电压U2n：同相电压Ug=1:1，工作电压U2n：正交电压Uc=1:0.3183。
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