長沙天恒測控技有限公司
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閱讀：134發(fā)布時間：2025-12-24
摘要：本文設計的測量系統(tǒng)是微機進行遠程控制實現(xiàn)全自動測量工頻交變磁場引入的電能誤差。系統(tǒng)采用精密步進電機控制亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生0~360°約0.5 mT工頻交變磁場對電能表進行干擾試驗，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(chǎn)生較大影響。最后提出改造電能表可行性建議。
關(guān)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(wǎng)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(guān)電能計量工具的要求也隨之提高。根據(jù)規(guī)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 S、0.5 S、1 和 2 級）》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(chǎn)生，并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(guān)于恒定磁場對電能表計量誤差影響實驗研究一般采用磁體作為磁場發(fā)生器。通過一塊或多塊磁鐵貼在電能表不同表面進行試驗。裝置簡單，易于操作。而交變磁場的影響試驗研究裝置相對復雜。需產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的交變磁場并作用于電能表三個方位正交截面。本文選用亥姆霍茲線圈作為磁場發(fā)生器，同時旋轉(zhuǎn)電能表完成測量。
2. 檢定系統(tǒng)
本文設計的系統(tǒng)，以微機為中心控制多裝置實現(xiàn)全自動化測量。利用精密步進電機準確調(diào)節(jié)磁場偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)磁場 0~360° 干擾，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(fā)送命令至控制臺，調(diào)節(jié)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]。然后調(diào)節(jié)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 H 達 400 A/m。根據(jù)設定的磁場方向，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)。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。測試完畢后，順時針旋轉(zhuǎn)電能表90°，再測量電能誤差。最后通過比較 δ0 和 δi 值，計算出磁場引入的電能誤差 δ。
δ = δi - δ0
圖 1 為檢定三相三線電能表原理圖。
1.1 主要部件介紹
a) 計算機自動測量軟件：是整個檢定系統(tǒng)的指揮中心。計算機通過 RS232 線同控制箱進行通信。首先客戶通過人機對話界面設定參數(shù)包括勵磁電流相位，亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)角度，電能表參數(shù)等。接著計算機發(fā)送命令至控制臺調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)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，處理由控制臺從硬件底層傳遞的測量數(shù)據(jù)，如計算被檢表電能誤差以及磁場引入的電能誤差。最后進行報表打印、數(shù)據(jù)保存等。
b) 控制臺：控制臺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制硬件進行半自動檢定。控制臺接收到計算機命令后控制源裝置輸出電流和電壓至標準表和被檢表。同時控制步進電機旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈和電能表旋轉(zhuǎn)的角度。最后將測量數(shù)據(jù)傳遞給計算機處理。在檢測電能超差點時，發(fā)出報警信號。
c) 控制箱：控制精密步進電機驅(qū)動亥姆霍茲線圈和電能表旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的 0~360° 工頻交變磁場。通過精密電機控制可以定位任意角度，測量“最不利方向"。
e) 源裝置：三相源和勵磁源。三相源電壓輸出范圍：30 V~ 450 V；交流電流輸出范圍：5 mA ~ 120 A；頻率輸出范圍：45 Hz ~ 65 Hz。電能測量準確度：0.05%。勵磁源產(chǎn)生的磁場范圍：0 ~ 400 A/m；調(diào)節(jié)細度：1 A/m；交流磁場穩(wěn)定度：0.05%；交流磁場相位調(diào)節(jié)范圍：0~360°，調(diào)節(jié)細度：0.01°。
1.2 嵌入式軟件介紹
嵌入式軟件采用基于 freeRTOS 實時操作系統(tǒng)平臺。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(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)等功能。檢測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程：
a) 初始化。將微處理器，軟件操作系統(tǒng)、硬件進行初始化。
b) 建立進程。包括建立按鍵進程、數(shù)據(jù)處理進程、界面顯示進程、通信進程、故障處理進程等。
c) 調(diào)用進程，實現(xiàn)軟件控制。上位機調(diào)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(diào)用按鍵進程進行狀態(tài)設置、量程設置、工頻交變磁場設置、旋轉(zhuǎn)角度設置、功能設置、系統(tǒng)設置等。再調(diào)用數(shù)據(jù)處理進程進行電壓電流控制輸出、交變磁場大小和磁場相位控制、亥姆霍茲線圈角度調(diào)節(jié)，進行電能誤差計算、超差報警等。
d) 驅(qū)動底層，控制硬件運行。
3. 檢定系統(tǒng)創(chuàng)新點
一些電能表生產(chǎn)廠家在做磁場干擾試驗時，需手搖亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，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(shù)據(jù)單一。本文設計的亥姆霍茲線圈[3]結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，其中亥姆霍茲線圈（1）置于兩個環(huán)形板中，兩個環(huán)形板通過置于固定孔（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(zhuǎn)控制電機（4）和碳刷（6），通過電機控制可以繞 X 軸 0~360° 旋轉(zhuǎn)。隨著亥姆霍茲線圈旋轉(zhuǎn)，軸向交變磁場 B 在 YOZ 平面旋轉(zhuǎn)，可對電能表兩個正交截面進行試驗。
電能表旋轉(zhuǎn)臺（2）通過托架（3）與亥姆霍茲線圈（1）連接。被檢電能表（12）置于電能表旋轉(zhuǎn)臺（2）上，通過計算機程控或手動控制。電能表可以在 XOY 平面內(nèi) 0~360° 旋轉(zhuǎn)，并可停留在任意方向。即可對電能表剩下的一個正交截面進行試驗。在上電時自動回歸初始位置。0 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。
4. 誤差分析
當電能表在交變磁場干擾下，計算電能誤差 δi 時會引入相位誤差和幅值誤差。電能表一般采用電阻網(wǎng)絡對電壓進行采樣，受外界磁場干擾小。且外界磁場產(chǎn)生的感應電壓遠遠小于電能表的額定電壓，產(chǎn)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,兩者對交變磁場干擾較為敏感。外加交變磁場在被測儀表的電流測量回路中產(chǎn)生感應電流，從而引入誤差[5]。
式中：
W’: 工頻磁場干擾下電能值。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(chǎn)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(chǎn)生感應電流。
亥姆霍茲線圈幾何中心 0 點磁場強度 400 A/m，則：
式中：
N = 1 T
S：電流回路等效面積。
R：電流回路等效電阻。
圖 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(zhuǎn) θ，通過電能表 Y 正交截面的有效磁通減少，從而產(chǎn)生的感應電流由 I1變成 I1cosθ。圖 3 為磁場垂直通過Y正交截面，圖 4 為磁場以 θ 通過 Y正交截面。
當 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(zhuǎn) ε，使得電能表功率因數(shù)角由 0° 變成 ε，產(chǎn)生誤差。電壓電流功率因數(shù)角矢量圖如圖 5 所示：
5. 計算機測量軟件
計算機軟件操作界面分成三部分：工具欄、檢定項目窗口、檢定數(shù)據(jù)窗口。操作步驟如下：
步：錄入電能表型號和制造商等信息。
第二步：設置檢定項目參數(shù)及檢定點。生成檢定數(shù)據(jù)。并保存為方案，方便下次測量直接調(diào)用。
第三步：檢定。超差檢定點系統(tǒng)發(fā)生報警。
第四步：數(shù)據(jù)處理及保存，最后導出 Word 報表打印。
軟件主界面如圖 6 所示
6. 檢定系統(tǒng)的應用
云南電網(wǎng)使用本檢定系統(tǒng)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。
（1）0.2 級三相四線電子式多功能電能表 （變換電路為互感器）規(guī)格： 3×100 V,3×1.5 A,5000 imp/kWh。表1為磁場垂直作用電能表 X、Y、Z 正交截面磁場引入的電能誤差。
表1 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
其測試曲線圖如圖 7 所示，圖 7 中紅色曲線為 Δφ=90° 時，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。
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 Z 正交截面方向。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(jié)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（0.2S、0.5S、1和2級）》要求。
生產(chǎn)廠家為了提高抗電磁干擾能力，可在電能表殼內(nèi)襯添加薄層高磁導率材料作為總屏蔽層，減少電磁干擾。
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（0.2S、0.5S、1和2級）[S]
[2] JJG596-2012 電子式交流電能表檢定規(guī)程[S]
[3] （波蘭）Slawomir Tumansk Handbook of Magnetic Measurements[M].北京：機械工業(yè)出版社
[4] 李寶樹.電磁測量技術(shù)[M].北京.中國電力出版社.
[5] 周碧紅，石雷兵，韓志強等.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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