直流大电流源校准方法探讨.pdf

2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】直流大电流源校准方法探讨陈建志，胡晓英，阮育娇，崔 潼（厦门市计量检定测试院，福建 厦门 361004）摘要：随着直流输配电技术的发展，直流大电流源已广泛应用在各种测试场合，其量值准确可能影响设备的使用可靠性，从而影响大电流试验的有效性。文章介绍了几种直流大电流源的校准方法及校准过程。通过实例试验，计算分析试验结果数据，并对校准结果进行测量不确定度评定分析。关键词：直流大电流；校准方法；光纤电流传感器；不确定度评定Discussion on Calibration Methods of DC High Current SourcesCHEN Jianzhi，HU Xiaoying，RUAN Yujiao，CUI Tong（Xiamen Institute of Measurement and Testing,Xiamen 361004,Fujian,China）Abstract：With the development of DC transmission and distribution technology,DC high current sources have been widely used in various test occasions.Its accuracy may affect the reliability of equipment and the effectiveness of high current test.This paper introduces the calibration methods and processes of several DC high current sources.Through the example tests,the test result data are calculated and analyzed,and the measurement uncertainty of the calibration result is evaluated and analyzed.Key Words:DC high current;Calibration method;Optical fiber current sensor;Evaluation of uncertainty收稿日期：2022-03-18基金项目：厦门市市场监督管理局科技项目（XMSJ202206）作者简介：陈建志，男，厦门市计量检定测试院，高级工程师，硕士胡晓英，女，厦门市计量检定测试院，高级工程师阮育娇，女，厦门市计量检定测试院，高级工程师，博士崔 潼，男，厦门市计量检定测试院，高级工程师，硕士0 引言随着新能源技术及特高压技术快速发展，国家西部大开发战略推进及西电东送工程、南北互联的进展，我国正在加快直流电网建设。相对于交流电网，直流电网具有造价成本低、线路损耗小、系统稳定、运行可靠等优点，能大幅提升我国电网输送能力。直流电技术不断发展，在多种生产及应用场合需用到直流大电流源，如铁路运输、新能源储能设备、电器开关直流试验系统、工业直流电源柜、充电桩等。直流电源输出电流的准确性直接影响设备及实验的可靠性，因此需定期校准，确认其计量特性。直流大电流源输出电流可达几万甚至几十万安，对于 1000A 以下的直流电源，可依据 JJF 1597-2016直流稳定电源校准规范进行校准。但是对于更高的输出，该技术规范规定的方法并不完全适用，而目前还未见现行有效的国家校准规范。文中结合直流大电流源的工作原理，提出几种校准方法供参考。1 直流大电流源的工作原理直流大电流源一般由交流电源输入，经滤波整流逆变转换成直流输出，再通过稳流、保护线路处理等，输出符合性能要求的直流电流，电流源包含功率放大模块、升流装置、稳流装置等。在某些输出电流较大的场合，采用的是多路直流电流源串并2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】联使用，提高输出功率。一般直流大电流源要求具有长时间稳定输出能力，所以对电流输出有短时稳定性要求，稳定性及输出时间要求具体可参考使用要求及设备厂家说明书。直流大电流源电流输出纹波不能过大，否则会降低电流源的效率，产生谐波，甚至造成浪涌电流，所以一般要求电流源输出电流纹波至少小于 3%。直流电流输出还存在负载效应稳压，因此某些实验场合可能还需要考核其带载能力。2 校准方法直流大电流源主要是输出较大电流，在不能完全采用低电流情况下的校准方法进行。文中结合现有电流测试技术，提出直流大电流表法、直流分流器法、直流互感器/直流比较仪法及光纤传感器法等校准大电流的方法。2.1 直流大电流表法直流大电流表法校准接线如图 1 所示。要求根据被校直流大电流源测量准确度及使用要求，选择合适的直流大电流表，直流大电流表的最大允许误差至少应优于被校电流源最大误差的 1/3。图 1 直流大电流表法校准接线图校准时，将直流大电流表穿心串接在测量回路，直流大电流源输出电流，直接读取直流大电流表的电流值。根据校准点输出电流值 Ix、直流大电流表显示电流 I0，换算出该校准点的测量误差：或 （1）2.2 分流器法直分流器法校准接线如图 2 所示。根据被校直流大电流源使用要求，选择合适的直流分流器，一般可选直流分流器的准确度等级至少优于被校电流源最大允许误差的 1/3，同时所选直流分流器的温度系数和额定功率需满足测量回路要求。直流分流器二次输出电压一般小于 150 mV，因此选择直流电压表应确保测量点的最大允许误差至少为直流分流器准确度等级的 1/3 1/5，尽可能减小直流电压表带来的校准不确定度。图 2 分流器法校准接线图校准时，将直流分流器串接在测量回路，直流大电流源输出电流，读取直流电压表的电压值。根据校准点输出电流值 Ix、直流电压表显示电压 U 及分流器电阻值 R0，换算出该校准点的测量误差：或 （2）2.3 直流互感器/直流比较仪法直流互感器/直流比较仪法校准接线如图 3 所示。根据被校大电流源使用要求，选择合适的直流互感器/直流比较仪，直流互感器/直流比较仪的准确度等级至少优于 0.01 级，且优于被校大电流源准确度等级的 1/5。直流互感器/直流比较仪二次输出电流一般为 1A、5A，取样电阻选择需能够匹配，电阻准确度等级至少为 0.01 级，直流电压表的测量误差应不大于被校电流误差的 1/5。图 3 直流互感器/直流比较仪法校准接线图校准时，将直流互感器/直流比较仪穿心串接在测量回路中，直流大电流源输出电流，读取取样电阻上直流电压表的电压值，根据校准点输出电流值 Ix、直流电压表显示电压 U、取样电阻值 R 以及直流互感器/直流比较仪的变比 k，换算出该校准点的测量误差：或 （3）2.4 光纤电流传感器法光纤电流传感器法校准接线如图 4 所示。采用光纤电流传感器校准大电流源，相对于前述几种方法，由于其线圈可开口，输出大电流回路可不断开，接线更方便，且测试电流范围更广，可达几百kA，可实时采集电流波形，但是其测量准确度相对较低，一般只有 0.2 级。因此最大输出电流 5000 A以上，准确度等级较低的大电流场合适用光纤电流传感器进行校准。图 4 光纤电流传感器法校准接线图2023 年第 3 期（总第 9 期）【技术探析】校准时，将光纤线圈穿心绕在电流测量回路，直流大电流源输出电流，通过光纤电流传感器测量系统的采集波形计算，得出实际电流值，根据校准点输出电流值 Ix、测量系统测试电流 I0，换算出该校准点的测量误差：或 （4）3 校准过程校准时严格按照大电流源及标准设备使用说明接线，注意铜排或软排接线卡紧，设备可靠接地，严禁开路输出。校 准 时，可 根 据 电 流 源 输 出 量 程，从10%100%（或接近 100%）之间线性选取 5 10个点进行校准，也可根据用户需求适当增加校准点。根据误差计算公式对校准结果进行计算，判断是否满足设备技术指标要求或用户使用要求。对于电流短时稳定性的考核，按设备规定稳定时间范围，选取接近 100%量程点输出电流，等间隔连续测量 5 10 个点，取最大电流值 Imax和最小电流值 Imin以及计算平均值。电流短时稳定性按式（5）计算，结果应不大于设备技术参数要求。（5）部分直流大电流源有输出电流持续时间要求，需要判断其输出电流持续时间的准确度。可用波形分析仪，采集标准器的二次输出电压信号波形，也可采用光纤电流传感器测量系统直接采集波形，分析波形参数，判断时间误差。假设直流大电流源输出时间为 Tx，分析仪或测量系统测量结果 T0，则时间误差为：（6）4 实验结果及数据处理4.1 校准实例采用光纤电流法，以 0.2 级光纤传感器测量仪校准一台输出量程为 6 kA 的直流大电流源，电流源的最大允许误差2%。根据用户需求进行校准，校准结果数据如表 1 所示。表 1 校准结果数据单位 显示值 实际值 相对误差 不确定度 （rel，=2）A 202 205.5 -1.7%0.24%504 508.9 -1.0%0.24%kA 1.00 1.0094 -0.9%0.24%1.59 1.6037 -0.9%0.24%2.03 2.0421 -0.6%0.24%3.13 3.1493 -0.6%0.24%4.14 4.1689 -0.7%0.24%5.05 5.0886 -0.8%0.24%6.03 6.0646 -0.6%0.24%4.2 测量不确定度的评定以 1kA 校准点电流输出为例，进行测量结果不确定度评定。由光纤电流法的测量模型可知，不确定度主要由被测量结果的重复性及光纤电流传感器测量仪的准确度等引入。4.2.1 被测量重复性引入的标准不确定度1的评定在重复条件下，设定输出 1kA 电流，连续读取10 次电流显示值，结果分别如下：（单位：kA）1.0094、1.0091、1.0099、1.0094、1.0098、1.0090、1.0101、1.0089、1.0092、1.0095。平均值=1.00943kA （7）用贝塞尔公式计算单次实验标准差：=0.0004kA （8）实际校准中以单次测量结果作为最终测量结果，故重复性引入的标准不确定度1为：4.2.2 光纤电流传感器引入的标准不确定度2评定光 纤 电 流 传 感 器 测 量 仪 最 大 允 许 误 差为 0.2%。则 1kA 电 流 点 标 准 器 的 允 差 为0.002kA。采用 B 类方法进行评定，认为区间内服从均匀分布，包含因子 取，则光纤电流传感器引入的标准不确定度2为：=0.00115KA （10）1=0.0004kA （9）下转（第46页）2023 年第 3 期（总第 9 期）【研发应用】4 结论1）无水乙醇能够增加织物的表面张力、润湿拒水面料，使定量化学试剂与待测样品纤维充分接触；2）定量测试时在加入 75%硫酸前先加入 5mL 无水乙醇的前处理方法能够提高聚酯纤维/氨纶混纺拒水面料定量准确性，使其达到定量标准精密度要求；3）该前处理方法成本低廉、高效节能，缩短了此类面料含量分析的检测时间，有利于提高纤维含量检测效率。参考文献1 纺织品 定量化学分析 第 1 部分：实验通则:GB/T 2910.1-2009S.2 王毅,李颖,付维娟,等.一种纺织品定量分析样品快速预处理方法J.上海纺织科技,2014(3):54-58.3 李玲.提高拒水混纺织物定量检测准确性方法的研究 J.中国纤检,2015,(03):79-81.4 倪冰选,张鹏.纺织纤维制品抗表面润湿及渗透性的测试 J.印染,2014(17):35-39.5 庄华炜.拒水整理新进展 J.印染,2015(24):71-72+76.6纺织品 定量化学分析 氨纶与某些其他纤维的混合物:GB/T 38015-2019S.7 阎克路.染整工艺学教程 第一分册 M.中国纺织出版社,2005:107-107.8邵宗昊.氨纶产品预处理分析探讨J.上海毛麻科技,2015(03):22-26.9 王彩云,戴颖,郑明通,易姣.聚氨酯涂层织物涂层剂去除方法研究 J.中国纤检,2012,(02):77-78.4.2.3 扩展不确定度评定合成上述两项，得出合成不确定度：（11）扩展不确定度（=2）：（12）相对扩展不确定度（=2）：（13）5 结语直流大电流源广泛应用在各行业领域中，尤其用在开关电器的测试实验中，其量值准确可靠将影响实验的有效性。文章介绍了几种直流大电流源的校准方法供同行参考。参考文献1 直流稳定电源校准规范:JJF 1597-2016S.上接（第22页）上接（第 6 页）参考文献1 严婷婷,张光春,李果华,汪义川,陈如龙,李波.光致发光技术在Si基太阳电池缺陷检测中的应用J.半导体技术,2010,35(05):454-457.2 JJF(闽)1088-2018 光伏组件电致发光缺陷检测仪校准规范 S.3 JJF(浙)1180-2021 光伏组件电致发光缺陷检测仪校准规范 S.4 T/CPIA 0009-2019 电致发光成像测试晶体硅光伏组件缺陷的方法 S.5 林剑春,杨爱军,沈熠辉.电致发光缺陷检测仪的成像性能评估 J.光学精密工,2017,25(06):1418-1424.6ISO12233 Photography-Electronic still picture imaging Resolution and spatial frequency responsesS.7 CIPA DC-003 Resolution Measurement Methods for Digital CamerasS.