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基于工频交变磁场干扰的电能误差测量系统(发表于《中国计量》2015 第 9 期)

作者:  浏览量:2749  发布时间:2015-12-05

摘要本文设计的测量系统是微机进行远程控制实现全自动测量工频交变磁场引入的电能误差系统采用精密步进电机控制亥姆霍兹线圈旋转产生0~360°0.5 mT工频交变磁场对电能表进行干扰试验测量最不利方向”。通过改变励磁电流同电能表工作电压相位差测量最不利相位”。通过实验分析得知工频磁场方向和相位均对电流变换回路为分流器电能表产生较大影响最后提出改造电能表可行性建议

关键词全自动测量交变磁场最不利相位最不利方向

 

Measurement System of Power Error Shift due to Power Frequency AC Magnetic Field  

Xiong Hao1 Zhou Xinhua 2 Deng Zhijun2 Deng Wen2 Peng Yuhui2

1. Yunan Power Grid Co., Ltd  Electric Power Research Institute  Nanning  650011

2. Changsha Tunkia Co., Ltd  Changsha  410100

 

Abstract: With remote control by microcomputer, automatic measurement of the power error shift of the electronic meter, which is exposed to AC magnetic field, is realized. The Helmholtz coil, which is adjusted by precision stepping motor, produces 0~360°AC magnetic filed to do interference experiment on electronic meters. Meanwhile, the worst unfavourable magnetic field direction is determined. The worst unfavourable phase is measured by changing the phase of exciting current. It is learned that the phase and direction of power frequency AC magnetic field have a large influence on electronic meters whose current commutation circuit is shunt in test. Finally some feasible advices on transforming energy meters are proposed.

Key words: automatic measurement, AC magnetic field, the worst unfavourable  phase , the worst unfavourable direction  

1. 引言

   随着我国智能电网建设进程的不断推进以及相应的居民递增式阶梯电价改革模式的提出对电能表等相关电能计量工具的要求也随之提高根据规程《 JJF 12453-2010 安装式电能表型式评价大纲 特殊要求 静止式有功电能表0.2 S0.5 S )》要求[1]0.5 mT 磁感应强度由与施加给被测仪表电压同频率的电流产生并在对被测仪表最不利的相位和方向的条件下测试被测表的附加误差

       关于恒定磁场对电能表计量误差影响实验研究一般采用永久磁体作为磁场发生器通过一块或多块永久磁铁贴在电能表不同表面进行试验装置简单易于操作而交变磁场的影响试验研究装置相对复杂需产生旋转的交变磁场并作用于电能表三个方位正交截面本文选用亥姆霍兹线圈作为磁场发生器同时旋转电能表完成测量

2. 检定系统

   本文设计的系统以微机为中心控制多装置实现全自动化测量利用精密步进电机准确调节磁场偏转角度实现磁场 0~360° 全方位干扰检测最不利方向”。改变励磁电流同电能表工作电压相位及改变磁场相位检测最不利相位”。

   计算机通过 RS232 通讯接口发送命令至控制台调节源装置输出电压电流至标准表和被检表使其正常工作测量被检表电能误差 δ0[2]然后调节源装置输出励磁电流至亥姆霍兹线圈使亥姆霍兹线圈几何中心磁场强度  400 A/m根据设定的磁场方向调节亥姆霍兹线圈旋转在不同的磁场方向改变励磁电流与电能表工作电压相位计算电能误差 δi测试完毕后顺时针旋转电能表90°,再测量电能误差最后通过比较 δ0  δi 计算出磁场引入的电能误差 δ

δ δδ0

 为检定三相三线电能表原理图

J1

1.1 主要部件介绍

a) 计算机自动测量软件是整个检定系统的指挥中心计算机通过 RS232 线同控制箱进行通信首先客户通过人机对话界面设定参数包括励磁电流相位亥姆霍兹线圈旋转角度电能表参数等接着计算机发送命令至控制台调节亥姆霍兹线圈旋转角度励磁电流相位及源输出电压电流至标准表和被检表与此同时处理由控制台从硬件底层传递的测量数据如计算被检表电能误差以及磁场引入的电能误差最后进行报表打印数据保存等

b) 控制台控制台是整个硬件装置的核心是硬件装置同计算机通讯的桥梁它既可以连接计算机进行全自动检定也可以脱离计算机软件单独控制硬件进行半自动检定控制台接收到计算机命令后控制源装置输出电流和电压至标准表和被检表同时控制步进电机旋转调节亥姆霍兹线圈和电能表旋转的角度最后将测量数据传递给计算机处理在检测电能超差点时发出报警信号

c) 控制箱控制精密步进电机驱动亥姆霍兹线圈和电能表旋转台转动步进电机细分度可达 60000/360°

d) 亥姆霍兹线圈直径为 1 m磁通势为 400 安匝产生旋转的 0~360° 工频交变磁场通过精密电机控制可以定位任意角度测量最不利方向”。

    e) 源装置三相源和励磁源三相源电压输出范围30 V~ 450 V交流电流输出范围5 mA ~ 120 A频率输出范围45 Hz ~ 65 Hz电能测量准确度0.05%励磁源产生的磁场范围0 ~ 400 A/m调节细度1 A/m交流磁场稳定度0.05%交流磁场相位调节范围0~360°调节细度0.01°

1.2 嵌入式软件介绍

嵌入式软件采用基于 freeRTOS 实时操作系统平台软件的主要功能包括三相源功能工频交变磁场功能电能误差测试调节亥姆霍兹线圈旋转等功能检测系统软件实现流程

a) 初始化将微处理器软件操作系统硬件进行初始化

b) 建立进程包括建立按键进程数据处理进程界面显示进程通信进程故障处理进程等

c) 调用进程实现软件控制上位机调用通讯进程与软件进行通讯或者是客户通过触摸屏或按键调用按键进程进行状态设置量程设置工频交变磁场设置旋转角度设置功能设置系统设置等再调用数据处理进程进行电压电流控制输出交变磁场大小和磁场相位控制亥姆霍兹线圈角度调节进行电能误差计算超差报警等

d) 驱动底层控制硬件运行

3. 检定系统创新点

  一些电能表生产厂家在做磁场干扰试验时需手摇亥姆霍兹线圈旋转此时磁场方向会引入较大的误差仅能检定几个磁场方向的误差测量数据单一本文设计的亥姆霍兹线圈[3]结构示意图如 所示其中亥姆霍兹线圈1置于两个环形板中两个环形板通过置于固定孔9中的4个尼龙棒进行连接和固定该线圈两端分别置有亥姆霍兹线圈旋转控制电机4和碳刷6),通过电机控制可以绕 X  0~360° 旋转随着亥姆霍兹线圈旋转轴向交变磁场 B  YOZ 平面旋转可对电能表两个正交截面进行试验

   电能表旋转台2通过托架3与亥姆霍兹线圈1连接被检电能表12置于电能表旋转台2通过计算机程控或手动控制电能表可以在 XOY 平面内 0~360° 旋转并可停留在任意方向即可对电能表剩下的一个正交截面进行试验在上电时自动回归初始位置点是亥姆霍兹线圈几何中心Y 轴为亥姆霍兹线圈轴向方向

J2

4. 误差分析

       当电能表在交变磁场干扰下计算电能误差 δ时会引入相位误差和幅值误差电能表一般采用电阻网络对电压进行采样受外界磁场干扰小且外界磁场产生的感应电压远远小于电能表的额定电压产生的电能误差可忽略不计电流一般采用锰铜分流器或互感器[4]进行采样,两者对交变磁场干扰较为敏感外加交变磁场在被测仪表的电流测量回路中产生感应电流从而引入误差[5]

J3

式中

       W工频磁场干扰下电能值下文以单相电能表为例进行分析三相电能表亦然

  当励磁电流通过亥姆霍兹线圈时会产生正弦交变磁场磁场垂直通过电能表电流测量回路会感应出电动势从而产生感应电流

J4

      亥姆霍兹线圈几何中心 点磁场强度 400 A/m

J5

式中

N = 1 T

S电流回路等效面积

R电流回路等效电阻

       2 中亥姆霍兹线圈角度为 0°当工频交变磁场相位一定时亥姆霍兹线圈旋转 θ通过电能表 正交截面的有效磁通减少从而产生的感应电流由 I1变成 I1cosθ 为磁场垂直通过Y正交截面 为磁场以 θ 通过 Y正交截面

J6

J7

 θ 为定值且工频磁场相位改变感应电流 ΔI 相位随之改变电能表电流相位旋转 ε使得电能表功率因数角由 0° 变成 ε产生误差电压电流功率因数角矢量图如 所示

J8

5. 计算机测量软件

     计算机软件操作界面分成三部分工具栏检定项目窗口检定数据窗口操作步骤如下

第一步录入电能表型号和制造商等信息

第二步设置检定项目参数及检定点生成检定数据并保存为方案方便下次测量直接调用

第三步检定超差检定点系统发生报警

第四步数据处理及保存最后导出 Word 报表打印

软件主界面如 所示

J9

6. 检定系统的应用

   云南电网使用本检定系统对某公司 0.2 级三相四线电能表1.0 级单相电能表进行检定

10.2 级三相四线电子式多功能电能表  变换电路为互感器规格 3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh1为磁场垂直作用电能表 XY正交截面磁场引入的电能误差

三相四线电能表磁场引入误差

Tab.1 Error due to alternating magnetic field of three phase four wire meter

基于工
21.0 级单相电子式多功能电能表变换电路为分流器),规格220 V5 A3200 imp/kWh 表中Δφ为励磁电流同电能表工作电压的相位差

其测试曲线图如 所示 中红色曲线为 Δφ=90° 磁场方向 θ 与磁场引入电能误差曲线蓝色曲线为励磁电流与工作电压相位角与电能误差曲线

J10

其中最不利相位为 ±90°最不利方向为磁场垂直方向即文中定义的电能表 正交截面方向因为大部分电能表分流器和互感器需采用平躺的安装方式

 

7. 结论

       电流变换回路采用分流器较互感器电能表易受工频交变磁场影响在最不利相位和最不利方向同时成立的情况下上文中1.0级单相电能表磁场引入的误差超出《 JJF12453-2010 安装式电能表型式评价大纲 特殊要求 静止式有功电能表0.2S0.5S12)》要求

       生产厂家为了提高抗电磁干扰能力可在电能表壳内衬添加薄层高磁导率材料作为总屏蔽层减少电磁干扰

                                                                                                                参考文献

[1] JJF1245.3-2010安装式电能表型式评价大纲 特殊要求 静止式有功电能表0.2S0.5S12[S]

[2] JJG596-2012 电子式交流电能表检定规程[S]

[3] 波兰Slawomir Tumansk  Handbook of Magnetic Measurements[M].北京机械工业出版社

[4] 李宝树.电磁测量技术[M].北京.中国电力出版社.

[5] 周碧红石雷兵韩志强等.工频外磁场对电子式电能表影响[J].上海计量测试2011,6