负荷箱校准装置的校准方法

江鹏 宋均正 谢文 刘剑 / 广东省计量科学研究院

0 引言

电流、电压互感器负荷箱用于模拟互感器检定线路中被检互感器二次侧外接负荷，依据JJF 1264-2010《互感器负荷箱校准规范》需满足准确度3级的要求，若其达不到技术要求，将影响互感器测量误差的准确性[1][2]。因此，互感器负荷箱需定期校准以保证量值的准确性。目前，国内许多计量技术机构建立了用于互感器负荷箱校准的校准装置。互感器负荷箱校准装置（以下简称装置），是专门用于校准互感器负荷箱的设备，需定期校准来保证量值溯源的准确与统一。目前，没有相关的技术规范正式发布，校准方法也不统一，包括标准负荷法与模拟负荷法。

标准负荷法是将标准电阻、电感以及电容按一定方式组合成标准负荷，电阻用于模拟负荷同相分量，电感和电容模拟负荷正交分量。该方法存在以下不足：标准电阻额定功率小，允许通过的电流小，与被检仪器实际工作状态不符，且校准方法复杂；另外，工频下电阻存在寄生电感及杂散电容无功分量，在不同电流或电压条件下会发生变化，数值难以确定；同样，电感或电容有功分量也会随着电压或电流变化而难以确定。

模拟负荷法通过控制输入到装置的电压与电流大小及相位来模拟不同负荷值。工频比率电源与标准功率源可以控制输出电压与电流信号的大小以及相位角，并输出模拟负荷值，该方法操作简单，使用方便。本文分析了装置的工作原理，在此基础上分别介绍了用工频比率电源和标准功率源来校准装置的步骤与方法。

1 基本原理

电流、电压互感器负荷箱大多采用电阻与电感元件串联或并联组合的方式来得到相应的负荷值[3]，包括正交分量与同相分量。对于电流负荷，同相分量指电阻分量，正交分量指电抗分量。相应的，电压负荷的同相分量指电导分量，正交分量指电纳分量。

典型装置结构通常包括输出信号端和采集信号端，还有专门用于校准阻抗测量回路和用于校准导纳测量回路的校准端子。

依据装置工作原理，如果在阻抗测量回路中输入参考电流以及相对参考电流相位和大小均可调节的差值电压信号，组成模拟电流负荷，就可以校准阻抗测量回路。同理，导纳测量回路输入参考电压以及相对参考电压相位和大小均可调节的差值电流信号，组成模拟电压负荷，可校准导纳测量回路。

装置输出一个稳定的电流信号到电流互感器负荷箱，通过采集阻抗测量回路两端的差值电压信号和两者之间相位，由式（1）计算电阻分量与电抗分量。

式中：Z——电流负荷；

ΔU——差值电压信号；

I——电流信号；

R——电阻分量；

X——电抗分量

同理，为了测量电压负荷值，可以使装置输出一个稳定的电压信号到电压互感器负荷箱，通过采集导纳测量回路的差值电流信号与两者之间相位，由式（2）计算出电导分量与电纳分量。

式中：Y——电压负荷；

ΔI——差值电流信号；

U——电压信号；

G——电导分量；

B——电纳分量

2 工频比率电源校准法

工频比率电源是计量技术机构以及各种科研院所互感器实验室常用设备，主要用于检定互感器校验仪。工频比率电源有参考电压、参考电流以及差值电压和差值电流4个接线端子，还有调节同相分量与正交分量的旋钮，可以实现差值信号相对参考信号比例关系和相位关系的变化，其准确度等级可达0.2级。参考信号与差值信号通常有以下几种组合关系：调节差值电流与参考电流或差值电压与参考电压比例关系可以检定互感器校验仪误差测量回路[4][5]。用于校准装置时，调节差值电压与参考电流比例关系可以校准装置阻抗测量回路；调节差值电流与参考电压比例关系可以校准导纳测量回路，测量线路如图1、图2所示。工频比率电源的准确度等级为0.2级，根据JJG 169-2010《互感器校验仪》检定规程，可以校准准确度等级0.5级及以下的装置。对于准确度等级0.2级及以上级别的装置，需用标准功率源校准法。

图1 工频比率电源校准装置阻抗测量线路

图2 工频比率电源校准装置导纳测量线路

3 标准功率源校准法

标准功率源常用于数字多用表、指针表以及功率表等相关仪表的校准。功率源具有电压输出端子和电流输出端子，输出信号大小以及相互之间的相位可以调节。电压信号、电流信号可用于仪表电压、电流的校准。调节电压、电流信号以及两者之间的相位，可校准功率表功率的有功分量、无功分量。标准功率源输出的电压信号U、电流信号I和相位角θ可组成模拟负荷。阻抗中电阻分量R可用式（3）表示，电抗分量X可用式（4）表示，导纳中电导分量G用式（5）表示，电纳分量B用式（6）表示。

式中：R——电阻分量；

X——电抗分量；

G——电导分量；

B——电纳分量；

U——电压信号；

I——电流信号；

θ——相位角

根据以上分析可知，向装置阻抗（或导纳）测量回路参考电流（或参考电压）端子输入电流信号（或电压信号），向差值电压端子（或电流端子）输入电压信号（或电流信号），可实现阻抗（导纳）测量回路的校准。当θ= 0 rad时，调节电压信号与电流信号的比值，可以得到电阻分量不同，电抗分量为0 Ω的系列模拟电阻值。记录被检仪器示值，可以得到电阻、电抗分量示值误差。同理，当θ= π/2 rad时，可以得到电抗分量不同，电阻分量为0 Ω的系列模拟电抗值。当θ介于0 rad到π/2 rad时，依据式（3）（4）计算电阻分量与电抗分量。导纳校准方法同理。标准功率源校准装置阻抗、导纳的测量线路如图3、图4所示。

图3 标准功率源校准装置阻抗测量线路

图4 标准功率源校准装置导纳测量线路

标准功率源是电学实验室常用的设备，输出的电压、电流和相位角都可以溯源到计量基准。使用标准功率源校准，可以实现装置的校准。

4 校准结果

本实验采用标准为ZJ-B1型工频比率电源和6105A型标准功率源，其中工频比率电源准确度等级为0.2级。标准功率源输出电压、电流准确度为±0.006%，输出功率准确度为±0.01%，相位误差为±0.003°。被检装置为YZ-SW1型负荷箱校准装置，标称准确度等级为0.5级。用两种方法测得的数据见表1、表2。

表1 ZJ-B1型工频比率电源校准装置数据

从表1、表2可以看出，用标准功率源校准装置时的校准误差明显小于工频比率电源校准误差。尤其当标准值同相分量或正交分量置于0时，无论是阻抗测量回路还是导纳测量回路，标准功率源校准时该项的误差明显减小。由于标准功率源准确度更高，推荐使用标准功率源校准方法。

表2 6105A型标准功率源校准装置数据

5 结语

本文提出了基于工频比率电源和标准功率源校准装置的两种方法。对于准确度等级为0.5级及以下的装置，可用工频比率电源校准。准确度等级为0.2级及以上的装置，推荐使用标准功率源校准。相比工频比率电源，标准功率源具有更高准确度，操作也更为方便，溯源也更易实现。