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基於工頻交變磁場幹擾的電能誤差測量係統(發表於《中國計量》2015 第 9 期)

作者:  瀏覽量:3632  發布時間:2015-12-05

摘要本文設計的測量係統是微機進行遠程控製實現全自動測量工頻交變磁場引入的電能誤差係統采用精密步進電機控製亥姆霍茲線圈旋轉產生0~360°0.5 mT工頻交變磁場對電能表進行幹擾試驗測量最不利方向”。通過改變勵磁電流同電能表工作電壓相位差測量最不利相位”。通過實驗分析得知工頻磁場方向和相位均對電流變換回路為分流器電能表產生較大影響最後提出改造電能表可行性建議

關鍵詞全自動測量交變磁場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

   隨著我國智能電網建設進程的不斷推進以及相應的居民遞增式階梯電價改革模式的提出對電能表等相關電能計量工具的要求也隨之提高根據規程《 JJF 12453-2010 安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 靜止式有功電能表0.2 S0.5 S )》要求[1]0.5 mT 磁感應強度由與施加給被測儀表電壓同頻率的電流產生並在對被測儀表最不利的相位和方向的條件下測試被測表的附加誤差

       關於恒定磁場對電能表計量誤差影響實驗研究一般采用永久磁體作為磁場發生器通過一塊或多塊永久磁鐵貼在電能表不同表麵進行試驗裝置簡單易於操作而交變磁場的影響試驗研究裝置相對複雜需產生旋轉的交變磁場並作用於電能表三個方位正交截麵本文選用亥姆霍茲線圈作為磁場發生器同時旋轉電能表完成測量

2. 檢定係統

   本文設計的係統以微機為中心控製多裝置實現全自動化測量利用精密步進電機準確調節磁場偏轉角度實現磁場 0~360° 全方位幹擾檢測最不利方向”。改變勵磁電流同電能表工作電壓相位及改變磁場相位檢測最不利相位”。

   計算機通過 RS232 通訊接口發送命令至控製台調節源裝置輸出電壓電流至標準表和被檢表使其正常工作測量被檢表電能誤差 δ0[2]然後調節源裝置輸出勵磁電流至亥姆霍茲線圈使亥姆霍茲線圈幾何中心磁場強度  400 A/m根據設定的磁場方向調節亥姆霍茲線圈旋轉在不同的磁場方向改變勵磁電流與電能表工作電壓相位計算電能誤差 δi測試完畢後順時針旋轉電能表90°,再測量電能誤差最後通過比較 δ0  δi 計算出磁場引入的電能誤差 δ

δ δδ0

 為檢定三相三線電能表原理圖

J1

1.1 主要部件介紹

a) 計算機自動測量軟件是整個檢定係統的指揮中心計算機通過 RS232 線同控製箱進行通信首先客戶通過人機對話界麵設定參數包括勵磁電流相位亥姆霍茲線圈旋轉角度電能表參數等接著計算機發送命令至控製台調節亥姆霍茲線圈旋轉角度勵磁電流相位及源輸出電壓電流至標準表和被檢表與此同時處理由控製台從硬件底層傳遞的測量數據如計算被檢表電能誤差以及磁場引入的電能誤差最後進行報表打印數據保存等

b) 控製台控製台是整個硬件裝置的核心是硬件裝置同計算機通訊的橋梁它既可以連接計算機進行全自動檢定也可以脫離計算機軟件單獨控製硬件進行半自動檢定控製台接收到計算機命令後控製源裝置輸出電流和電壓至標準表和被檢表同時控製步進電機旋轉調節亥姆霍茲線圈和電能表旋轉的角度最後將測量數據傳遞給計算機處理在檢測電能超差點時發出報警信號

c) 控製箱控製精密步進電機驅動亥姆霍茲線圈和電能表旋轉台轉動步進電機細分度可達 60000/360°

d) 亥姆霍茲線圈直徑為 1 m磁通勢為 400 安匝產生旋轉的 0~360° 工頻交變磁場通過精密電機控製可以定位任意角度測量最不利方向”。

    e) 源裝置三相源和勵磁源三相源電壓輸出範圍30 V~ 450 V交流電流輸出範圍5 mA ~ 120 A頻率輸出範圍45 Hz ~ 65 Hz電能測量準確度0.05%勵磁源產生的磁場範圍0 ~ 400 A/m調節細度1 A/m交流磁場穩定度0.05%交流磁場相位調節範圍0~360°調節細度0.01°

1.2 嵌入式軟件介紹

嵌入式軟件采用基於 freeRTOS 實時操作係統平台軟件的主要功能包括三相源功能工頻交變磁場功能電能誤差測試調節亥姆霍茲線圈旋轉等功能檢測係統軟件實現流程

a) 初始化將微處理器軟件操作係統硬件進行初始化

b) 建立進程包括建立按鍵進程數據處理進程界麵顯示進程通信進程故障處理進程等

c) 調用進程實現軟件控製上位機調用通訊進程與軟件進行通訊或者是客戶通過觸摸屏或按鍵調用按鍵進程進行狀態設置量程設置工頻交變磁場設置旋轉角度設置功能設置係統設置等再調用數據處理進程進行電壓電流控製輸出交變磁場大小和磁場相位控製亥姆霍茲線圈角度調節進行電能誤差計算超差報警等

d) 驅動底層控製硬件運行

3. 檢定係統創新點

  一些電能表生產廠家在做磁場幹擾試驗時需手搖亥姆霍茲線圈旋轉此時磁場方向會引入較大的誤差僅能檢定幾個磁場方向的誤差測量數據單一本文設計的亥姆霍茲線圈[3]結構示意圖如 所示其中亥姆霍茲線圈1置於兩個環形板中兩個環形板通過置於固定孔9中的4個尼龍棒進行連接和固定該線圈兩端分別置有亥姆霍茲線圈旋轉控製電機4和碳刷6),通過電機控製可以繞 X  0~360° 旋轉隨著亥姆霍茲線圈旋轉軸向交變磁場 B  YOZ 平麵旋轉可對電能表兩個正交截麵進行試驗

   電能表旋轉台2通過托架3與亥姆霍茲線圈1連接被檢電能表12置於電能表旋轉台2通過計算機程控或手動控製電能表可以在 XOY 平麵內 0~360° 旋轉並可停留在任意方向即可對電能表剩下的一個正交截麵進行試驗在上電時自動回歸初始位置點是亥姆霍茲線圈幾何中心Y 軸為亥姆霍茲線圈軸向方向

J2

4. 誤差分析

       當電能表在交變磁場幹擾下計算電能誤差 δ時會引入相位誤差和幅值誤差電能表一般采用電阻網絡對電壓進行采樣受外界磁場幹擾小且外界磁場產生的感應電壓遠遠小於電能表的額定電壓產生的電能誤差可忽略不計電流一般采用錳銅分流器或互感器[4]進行采樣,兩者對交變磁場幹擾較為敏感外加交變磁場在被測儀表的電流測量回路中產生感應電流從而引入誤差[5]

J3

式中

       W工頻磁場幹擾下電能值下文以單相電能表為例進行分析三相電能表亦然

  當勵磁電流通過亥姆霍茲線圈時會產生正弦交變磁場磁場垂直通過電能表電流測量回路會感應出電動勢從而產生感應電流

J4

      亥姆霍茲線圈幾何中心 點磁場強度 400 A/m

J5

式中

N = 1 T

S電流回路等效麵積

R電流回路等效電阻

       2 中亥姆霍茲線圈角度為 0°當工頻交變磁場相位一定時亥姆霍茲線圈旋轉 θ通過電能表 正交截麵的有效磁通減少從而產生的感應電流由 I1變成 I1cosθ 為磁場垂直通過Y正交截麵 為磁場以 θ 通過 Y正交截麵

J6

J7

 θ 為定值且工頻磁場相位改變感應電流 ΔI 相位隨之改變電能表電流相位旋轉 ε使得電能表功率因數角由 0° 變成 ε產生誤差電壓電流功率因數角矢量圖如 所示

J8

5. 計算機測量軟件

     計算機軟件操作界麵分成三部分工具欄檢定項目窗口檢定數據窗口操作步驟如下

第一步錄入電能表型號和製造商等信息

第二步設置檢定項目參數及檢定點生成檢定數據並保存為方案方便下次測量直接調用

第三步檢定超差檢定點係統發生報警

第四步數據處理及保存最後導出 Word 報表打印

軟件主界麵如 所示

J9

6. 檢定係統的應用

   雲南電網使用本檢定係統對某公司 0.2 級三相四線電能表1.0 級單相電能表進行檢定

10.2 級三相四線電子式多功能電能表  變換電路為互感器規格 3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh1為磁場垂直作用電能表 XY正交截麵磁場引入的電能誤差

三相四線電能表磁場引入誤差

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

基於工
21.0 級單相電子式多功能電能表變換電路為分流器),規格220 V5 A3200 imp/kWh 表中Δφ為勵磁電流同電能表工作電壓的相位差

其測試曲線圖如 所示 中紅色曲線為 Δφ=90° 磁場方向 θ 與磁場引入電能誤差曲線藍色曲線為勵磁電流與工作電壓相位角與電能誤差曲線

J10

其中最不利相位為 ±90°最不利方向為磁場垂直方向即文中定義的電能表 正交截麵方向因為大部分電能表分流器和互感器需采用平躺的安裝方式

 

7. 結論

       電流變換回路采用分流器較互感器電能表易受工頻交變磁場影響在最不利相位和最不利方向同時成立的情況下上文中1.0級單相電能表磁場引入的誤差超出《 JJF12453-2010 安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 靜止式有功電能表0.2S0.5S12)》要求

       生產廠家為了提高抗電磁幹擾能力可在電能表殼內襯添加薄層高磁導率材料作為總屏蔽層減少電磁幹擾

                                                                                                                參考文獻

[1] JJF1245.3-2010安裝式電能表型式評價大綱 特殊要求 靜止式有功電能表0.2S0.5S12[S]

[2] JJG596-2012 電子式交流電能表檢定規程[S]

[3] 波蘭Slawomir Tumansk  Handbook of Magnetic Measurements[M].北京機械工業出版社

[4] 李寶樹.電磁測量技術[M].北京.中國電力出版社.

[5] 周碧紅石雷兵韓誌強等.工頻外磁場對電子式電能表影響[J].上海計量測試2011,6


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