电子式电流互感器数字量输出的校准

电子式电流互感器数字量输出的校准

电流传感器检验仪是用于监测电流传感器的专用仪式。传统的电流互感器校验仪大多是采用差值原理进行取差,然后利用直角坐标型交流电位差计测差,校验过程相对复杂,且功能单一。本文以LabVIEW为工具,将虚拟仪器技术引入新型电流互感器校验仪的研制,发挥虚拟仪器灵活、可自定义、具有强大数据处理和分析功能、易于嵌入数字补偿以及开发周期短等特点,为电流互感器校验提供了新的符合IEC60044-8标准的技术手段和方法。1rogowski生物学特性图1是电子式电流互感器利用Rogowski线圈测量电流的原理图。根据全电流定律和电磁感应定律,可推导出线圈感应电势为e(t)=−Ndφdt=−μ0Nh2πlnRaRi⋅didt‚(1)e(t)=-Νdφdt=-μ0Νh2πlnRaRi⋅didt‚(1)其中:i为一次侧电流,μ0为真空磁导率,N为线圈匝数,h为骨架高度,Ra为骨架外径,Ri为骨架内径。如图1所示,Rogowski线圈输出电压信号经过A/D转换器转换为数字信号,利用发光二极管将该数字电信号转换为光信号,通过光纤将光信号传输到低压端,在低压端将包含了一次电流信息的光信号还原为电信号并进行相应的信号处理。2000年颁布的IEC60044-8标准规定,新型电子式电流互感器具有模拟电压输出或数字电压输出,且其输出的模拟电压或数字电压的准确度必须经过校验。依据IEC60044-8,原有电流互感器校验仪已很难满足检定新型电子式电流互感器产品质量的技术需求,因此,十分必要研制新型的电流互感器校验仪。2电流传感校验仪的数值积分法及其计算本文所研制的电流互感器校验仪具有鲜明的微机化仪器特征,其许多功能均由软件实现。该研制方案的特点是将原有电流互感器校验仪的功能电路虚拟化,利用软件实现对被校验电流互感器比差、角差、频率、谐波含量等多项性能指标的测量。这种新型互感器校验仪主要由信号调理单元、数据采集卡、校验用软件程序等组成。具体实施校验时,用标准电流互感器和被测电流互感器测量同一电流,它们二次侧的电流信号I2N,I2X(模拟量或数字量)经转换、调理,成为便于数据采集卡接受的信号,经数据采集卡送入该校验仪的核心单元——计算机中,借助预先编制好的校验软件进行计算、分析、处理后,表征电流互感器技术性能的测量结果被存储、显示、或打印(输出),如图1所示。数据采集卡直接插在计算机的外围设备接口(PCI)插槽中,并通过接线端子和电缆与信号调理箱相连。被校信号有效值,可以采用DFT法计算,也可用数值积分法求得。我们所研制的电流互感器校验仪采用DFT算法,两路电压信号转换成数字信号后,经过DFT运算便可得到有效值UN,UX(算法略),它们分别正比于标准电流互感器和被校电流互感器二次侧电流信号的有效值。基于虚拟仪器技术的电流互感器校验仪可很方便地对被校信号进行数字滤波处理,然后按式(2)计算出比差f,并以显示、存储等形式输出。f=(100×(α1KTUT−α2KXUX)/α1KTUT)‚(2)f=(100×(α1ΚΤUΤ-α2ΚXUX)/α1ΚΤUΤ)‚(2)式(2)中:KT和KX分别是标准与被校电流互感器的额定电流比;α1,α2为标准和被校电流互感器的电流/电压转换系数。这里的角差是针对工频量而言的,对它的测算有多种方法,在我们所研制的校验仪中采用了DFT方法。设被校电流互感器输出的电流信号为x(t)=Acos(2πft+φ),数字采集卡的采样频率fs=Nf。对上述被校信号x(t)进行DFT变换,可以求出x(t)包含的基波和谐波分量大小,其中基波分量(工频量)表达式为3电流传感校验仪的设计及结果图3是所研制的新型电流互感器校验仪的显示软面板,它相当于原有校验仪的前面板。在该软面板上,可直接对校验仪数据采集卡的采样通道、数据扫描率、数据读取率以及缓存大小等进行设置。该软面板通过端口与仪器的图型化程序相连,图型化程序即校验软件是这种新型校验仪的核心,它是按用户需求编制而成,不仅集合了校验仪的所有功能,还执行数据传递的功能。由图3可见,在新型电流互感器校验仪的显示面板上不仅可以给出校验结果,而且可以直观地同时看到标准与被校电流信号的波形等。为确定所研制新型电流互感器校验仪的技术性能,我们利用Fluke公司的多功能校验仪5520A(比差准确度指标为0.01%)对其进行了对比校验,校验结果如图4～6所示。由图4,5可知,所研制的新型电流互感器校验仪的比差为±0.05%,角差在2′以内。图6则表明,该校验仪具有很好的线性度。上述结果说明了这种新型电流互感器校验仪可用于对0.2级和以上电流互感器的校验。4关于问题的讨论4.1采样频率与信号频率之比的确定在我们所编制的电流互感器校验计算软件中,利用FFT算法计算幅度谱和相位谱是以1s为一个基本计算单元的。其中N=2i,i为自然数。式(3)(4)是在假定采样频率与被测信号频率之比为整数的情况下导出的,如果采样频率与被测信号频率之比不为整数,则式(3)应改写为X(1)=∑n=0fs−1Acos(2πnN+φ)⋅e−j2πnN‚(5)X(1)=∑n=0fs-1Acos(2πnΝ+φ)⋅e-j2πnΝ‚(5)经过化简,有X(1)=∑n=0fs−1A2[cosφ+cos(4πnN+φ)]+j⋅∑n=0fs−1A2[sinφ−sin(4πnN+φ)].(6)X(1)=∑n=0fs-1A2[cosφ+cos(4πnΝ+φ)]+j⋅∑n=0fs-1A2[sinφ-sin(4πnΝ+φ)].(6)对采样频率与信号频率之比不为整数的情况,具体又分以下两种可能加以讨论。a)fs=2i(i为自然数)如果进行模数转换时确定每秒钟的采样点数为2i,对于理想的工频信号来说,相当于在50个周期内均匀采样2i点,考虑式(6),有∑n=02i−1A2[cos(200nπ/2i+φ)]=∑n=02i−1A2[sin(200nπ/2i+φ)]=0‚(7)∑n=02i-1A2[cos(200nπ/2i+φ)]=∑n=02i-1A2[sin(200nπ/2i+φ)]=0‚(7)由式(6),(7)可推导出φ=arctan[Im(X(1))Re(X(1))].(8)φ=arctan[Ιm(X(1))Re(X(1))].(8)b)fs≠2i(i为自然数)相应地,式(6)可改写为X(1)=∑n=0fs−1A2[cosφ+cos(200nπ/2i+1+φ)]+j⋅∑n=0fs−1A2[sinφ−sin(200nπ/2i+1+φ)].(9)X(1)=∑n=0fs-1A2[cosφ+cos(200nπ/2i+1+φ)]+j⋅∑n=0fs-1A2[sinφ-sin(200nπ/2i+1+φ)].(9)显然,此时式(7)不再成立。利用式(8)计算相角必然带来误差。因此,必须保证每秒钟采样点数为2的整数次幂。所以校验之前,应在互感器校验仪软面板中设置采集参数。4.2通道系统幅值的补偿模块数据采集卡的不同通道对于信号的衰减和相移很难达到完全一致,因此有必要在所开发的校验仪软件程序中增加测量补偿功能。补偿方法如下:首先将通道1和通道2接入同一个标准信号,根据采集到的数据计算出通道1和通道2的衰减A1和A2以及两个通道之间的相差β。这样,在编制框图程序中计算信号幅值的功能单元时,就可以分别乘以系数A1,A2,从而实现对因通道不同造成的系统幅值测量误差的补偿与校正;编制计算两信号相差的功能软件时,就可以加上补偿系统相差量β的功能部分。由于我们所研制的新型校验仪正具有基于虚拟仪器技术的微机化仪器特点,即仪器的许多功能都是很方便通过软件方式加以准确实现的,因此,该仪器不同输入通道在信号传输上表现出的不一致性,可以通过软件编程的办法方便地加以补偿。5仪器的智能化和承担了作业主体的责任,有利于更好地为用户提供自主校验仪的技术基础基于虚拟仪器技术所研制的便携式电流互感器校验仪具有以下优点:1)该电流互感器校验仪仅由信号调理箱、数据采集卡、计算机(或笔记本电脑)和相应测算软件组成,装置体积小、重量轻,便于携带。2)该校验仪能够对电流互感器的比差、角差、频率、谐波等多个技术性能指标进行检测与分析,还能将它们输出、存储或打印,整个过程全部由仪器中的计算机智能化完成,不仅大大提高了校验效率,通过对本身系统误差的自动补偿与校正还改善了校验水平,且操作简便,明显降低了校验的工作强度。3)其软件化的构