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IEE仪器和测量2009年5月第58卷第5期
传统式和电子式测量电流电压互感器的简易校准方法
Arnaldo Brandolini,Marco Faifer,and Roberto Ottoboni
摘要：变压器的测量校准是电气测量在实践过程中的一个经典任务。大多数专门为此目的而设计的商业仪器是基于Kusters和Moore的观点。尽管这些仪器可以保证非常高的准确性,但是需要采用高电磁电路性能，这使他们非常昂贵,通常不适合测量频率高于50或60Hz。所以这些工具不能用来测量新一代的电流电压互感器，比如电子测量变压器，它的应用需要宽的宽带。本文讨论了校验电磁式电压和电流测量互感器(VTs和CTs)、电子式电压和电流测量互感器(EVTs和ECTs)的新方法，并提出了深计量特性。新方法的创新之处在于由一个完全不同的方法测量比率和测量互感器的相位误差。该方法基于用适当的数字信号处理被测试的互感器副边收集的信号和相同的信号施加到参考互感器的原边所收集的信号。因为不需要辅助电磁回路,所以这种解决方案简单有效、成本低。尽管这种方法较为简单，但开发的原型清楚地指出,该系统适用于频率范围为50Hz、到1 kHz，精确度等级达到0.1的校准测量互感器的测试。
关键词：校准测量互感器、电能质量检测、虚拟仪器
1绪论
时至今日，在电气测量的实践中电压和电流测量互感器（VTS，CTS）是工业和科研中最常应用的电气传感器。首先，这些类型的传感器是基于一个非常简单的工作原理。在长时间、恶劣的工作条件下，他们坚固的结构提供了非常高的可靠性。其次，作为无源器件，它们不需要任何外部电源，可以保证输入和输出端之间的高电流绝缘。最后，它们虽然有带宽限制，但是计量特性满足大多数应用程序的输入、输出范围和测量误差的要求。
因此，当测量精度起着至关重要的作用时，我们通常采用电流互感器和电压互感器。例如在测量变压器都参与了电能的计量过程的情况下，测量变压器的无源性和可靠性是否能构成支持这些传感器的长寿命和时不变性能的元件（相对于电子传感器，如霍尔效应和罗氏线圈）；然而期望无法在现实中实现。
所有其他的测量仪器，包括电流互感器和电压互感器应定期进行校准来评估与声明的或预期的计量特性是否符合。从理论的角度来看，测量变压器的校准较为简单，因为它需要确定的比例和相位误差为不同负载条件下在初级绕组和在二次绕组所产生的激励[1]。误差通常是在两变压器的初级线圈施加相同的激励时，通过比较被测变压器输出（TUT）与标准变压器输出（ST）确定。这种操作通常是由变压器比较器（TC）进行，这种仪器的工作原理是基于Kusters 和 Moore的思想[2][3]，需要一个四绕组的电磁电路和一些辅助电子设备。
大规模引进数字电子技术，模拟数字转换器（ADC），并且允许TC原方案中的微处理器显着的简化调整和空操作，市场上的TCS可被称为自动仪器测量变压器的测试集（MTTS），用户只需要几个简单的操作。必须强调的是这种仪器的电磁部分非常关键，因为它是负责测量精度和TC的带宽限制。为了保证良好的精度和带宽，特殊磁芯必须采用特殊的铁磁性材料设计和生产，绕组需要特殊的技术[4]。因此，CTS是非常昂贵的仪器，具有显著的尺寸和重量，最重要的是，不适合对测量变压器的现场校准。
本文讨论的工作从这些考虑开始。必须提高校准的要求和电流互感器和电压互感器的计量评估，以满足质量保证标准，符合相应校准标准的参考仪器和实验室能够支持这个活动。为了克服这种情况，需要根据不同的测量方法和参考工具，对CT和VT采取不同的校验方法。
2电压和电流互感器的经典校验方法
TC通常被定义为一个能够测量电压（电流）比率和不同主、次级电压（电流）互感器的相位误差的仪器。从理论角度看，构想CT的办法就是实现交流电位。将TUT与ST对比，然后测量误差减小到TUT相对于ST的增量误差。 图1示为电流互感器校验的交流电位的基本方案。
图1电流互感器校验的交流电位的基本方案
ZST和ZTUT分别为ST和TUT的电阻，而D是一个低值电阻。有一个固定的中间抽头的电位器P和可变的互感器，必须以这样的方式调整，使通过空检测器的电流变为零。
在这种情况下，
ID = I2ST－I2TUT （1）
D*ID = R*I2ST jM*I2ST （2）
I2ST和I2TUT分别为ST和TUT的二次电流，ID是流过D的电流，R是中间抽头和电位器P的滑片之间的电阻值。
公式（2）可以变换为
（3）
考虑到图1中相位的关系，电流ID可以表示为
ID = I2ST-I2TUT= IDF IDQ （4）
以I2ST作为参考方向，最终得到
(5)
(6)
和ɛ分别为TUT的比率和相位误差。
该方法除了简单，还使校准过程容易和自动延伸至不同的测量方法，其中所有相关的设置，调整和平衡的任务需要经微处理器处理。
现代TCs最初的理论是根据Kusters和Moore的想法。类似的方法也可以应用到电压变压器测试试验[6]-[11]。采用四绕组电磁芯，还包括ST。第一绕组连接到TUT的二次绕组，第二绕组被用作内置ST，第三绕组充当检测绕组（其连接到一个空检测器），最后绕组用作主要补偿绕组，使得电流饱和，它才能使空磁通进入核心。微处理器通常用来确定已被注入的补偿绕组（和TUT的误差直接相关）的电流的同相和正交分量，以及执行所有必要的设置和调整，并且显示测量结果。
这种仪器的特点是非常高的测量精度，确保不确定性分别为10ppm和10rad的比率和相位误差测量。另一方面，仪器复杂、笨重和电磁结构要求严格，并且这些仪器都非常昂贵。因为这些原因，他们只在先进的实验室使用，并没有采用便携式设备。
3Kusters和 Moore提出的经典方法
Kusters和Moore方法及其后续演进代表了现代仪器仪表演化的奇异性。事实上，虽然总的趋势是将仪器测量功能的大部分分配给它的数字处理部分，从而减少了模拟部分。而在商业上恰恰相反，数字处理部分的作用实际上是委托给辅助服务。该仪器的精度主要是由该仪器的模拟处理部分的性能决定，尤其是电磁部分的性能。
到现在为止，最先进的科技可以保证该精度为0.001％的电压电流误差测量和0.001rad的相位角测量。无论如何，我们必须考虑到大部分设备很少需要这样精确度低的校准设备。比较器的精度等于或超过0.1％可以被认为适合于测量的变压器用0.5或更差的精度等级，它实际上代表大多数在工业应用中使用的变压器。
然而，对于基于电磁芯的TC，精度的降低不意味着其成本、尺寸和重量相等的减少。除此之外，电磁铁芯限制了比较器的校准，仅应用于工业频率（50或60Hz）的校准，而在市场上，如要求使用电能质量测量的设备，可使用电子变压器，其特征为扩展带宽（高达1kHz）。
以上因素导致必须定义一个不同于Kusters和Moore的经典方法的校验测量互感器的方法。为了这个目的，基本任务如下：
- 当相同的正弦信号被施加到每一个主要的设备时，TC必须与ST的输出信号，TUT的输出信号比较。
- 为了简便，我们使用了两个具有相同的额定变压器比例的变压器。一个TC主要有以下评估参数:
（6）
其中，alpha;是TUT输出信号STUT的幅度和ST输出信号SST的幅度之间的相对误差，简称SST，它代表了TUT的比率误差。beta;代表STUT和SST之间的相角误差。即使指出ST的正确的相位误差，但是系统仍有可能直接执行TUT的相位误差beta;。
4提出MTTS模型
一个简单的MTTS的结构示意图，如图2。
对TUT和ST的原边施加同样的激励（正弦电压或电流），而每个副边连接到所需的负荷。在电压测量互感器校准的情况下，电压分压器与负荷并联，从而降低次级电压的幅值到合适的水平，以满足数据采集板的输入范围。对于电流测量变压器，一个低值电阻分流串联连接到二次绕组，通过数据采集板的装置来获得收集的电压正比于流过的电流。这样在这两种情况下，可用两个电压信号：第一个正比于TUT次级输出，而第二个正比于ST次级输出。
在输入激励信号时，对这些信号同时进行采样以及快速傅立叶变换采用（FFT）算法在输入激励信号的频率中提取振幅和频谱分量。采用同步采样，确定TUT信号和ST信号之间的相位角，即TUT的相位误差给出了FFT信号的两个相位值之间的差频率分量。
实施这种方式，测量精度主要受限于下列不确定性来源：
- ST的不确定性：它比率和相位误差曲线明显是已知的，则不确定性是来自于采用以评估他们的校准程序；
- 与所采用的分压器的比率和电阻值（对于VT校准）和分流器（用于CT校准）的不确定性有关;
图2 MTTS基本结构
（3）由所述数据采集板的两个通道，以及ADC的非理想性的失配引入的增益和相位误差的不确定性;
（4）通过采用相对于ST的TUT的比率和相位误差的算法引入的不确定性。
5MTTS开发的原型
使用双通道16位分辨率数据采集板的计算机开发MTTS模型。对于额定频率为50Hz信号的测量，采用12800Hz的采样频率，以非常接近的同步采样条件（每个周期256个样本），然后采用FFT来确定幅度和两个信号的基波的相位，从而获得TUT比率和相位误差。
使用FFT方法来测量谐波的幅度和相位，提供具有低失真的谐波激励信号， 操作非常接近真正的同步采样条件，幅度和相位测量误差主要是来自于短程渗漏的影响。为了应对这种效应采用平顶波，因为它能相对地保证最佳性能[14]。
此外，开发的比较器可以自动重复检测固定的次数N的过程，在后续信号周期中获取ntimes;256个样本。通过这种方式，该比较器给定的比率和相位误差的最终值是n个不同的测量的平均值。同时，比较器也对n个比率和相位误差的标准偏差进行评估，能够通过自身的类型来估计的测量不确定性。
任何CT或VT试验开始时，两个输入信道的特性均衡以自动方式实现。相同的信号连接到两个输入通道时，比较器执行其中一个比率和相位误差测量，评估在下面测量程序中存储和使用的校正因子。
一些实验测试已经进行了验证了MTTS的准确性。这些试验主要集中在仪器的电子部分（增益级，数据采集板和算法没有任何分压器，分流器，以及外部VT或CT），因为它负责该方法的准确性边界。
首先，为了验证开发的MTTS模型在电源频率（50Hz）下的行为，本文进行了一些测试并与基准仪器进行比较。Tettex 2767作为参考标准，而 Fluke 5500A 校准作为激励源。使用校准的两个通道和不同的相对幅度和相位，就可以效仿两个测量变压器具有不同比率和相位误差的输出。
给定一个eta;%Com即百分比误差与系统测量，eta;%Std即由Tettex 2767测量的百分比误差，如图3，其定义为
Delta;eta;=eta;%Com-eta;%Std 7）
对于不同的值的eta;%Std和50Hz的激励信号，公式清楚地表明，Delta;eta;非常小，因为它所施加的比例误差低2个数量级。在同一图中，误差柱表示总测量不确定度（以覆盖系数2）是由于固有的Tettex不确定性和该系统的测量重复性限制（A型不确定性的评估，即n= 10后续信号周期）。
图3该原型和百分比误差不同值的基准仪器测得的百分比率误差之间的差异
图4该系统和Tettex测定出的相位误差之间的差别。
相位误差也有类似的结果
Delta;ɛ=ɛ%Com-ɛ%Std （8）
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