基于自校准技术的高精度交直流钳形表设计

随着科技进步与经济发展，电能需求量逐年提升，各类风力、光伏、氢能、地热、海洋能、生物质能等新能源的发电换电与并网 [1-4]，加之直流电能的研究应用[5-6]，给目前仍占据普用能源供给侧主导地位的传统交流供电系统带来了空前的挑战与升级改造需求，促使交流供电系统不断向着庞大化、复杂化、兼容化的特征方向发展。新能源换电并网，再加上交流供用电系统链条中其他种类换流整流设备及电路的挂网应用，例如半导体整流器、晶闸管调压器、炼钢电弧炉、高频照明设备、电机调速电路、空调调频变频电路等，导致电网上非线性负荷日益增多。这些非线性负荷设备及电路将产生大量谐波畸变等电能质量污染问题[7]，其中就包括负载电流中产生的直流分量。

传统钳形电流表（电流互感器）是使用最为广泛的基础性用电监测与校验设备[8]，但是长期使用过程中也逐渐暴露出其在某些场合测量失准甚至功能失效问题[9-10]。例如在利用其对交流电能表进行现场校验时，负载中存在的直流分量产生的直流磁通将全部用于励磁，并且缺乏反向磁通抵消作用，就有可能削减互感器二次侧电流互感能力，必然引起测量失准，甚至导致钳形表铁芯进入磁滞饱和区域，感应电流无限接近零值，互感器功能失效甚至损毁[11]。结合实际工作经验，当我们对某些安装了大功率整流装置的用户电能表用普通钳形表进行现场校验时，钳形表进行电流采样的现场测量值与电能表的实时显示记录值之间误差目测竟可高达50%。实验室进行大功率整流装置模拟试验可重现现场校准时出现的问题，而当大功率整流装置停止使用后，电能表的误差指标便立即回归正常区间。以上工作经验说明用户电能表显示的用电量和实际使用量的一致性得不到计量保障，国家蒙受着巨大的隐形经济损失。

为了在存在直流分量情况下仍能既经济又准确现场校验在用电能表，本文拟设计一款基于霍尔元件直流检测与补偿功能技术改进后的交直流钳形电流表，同时采用自校正技术优化，提高样机的测量准确度、可靠性和稳定性。样机经计量校准与测量不确定分析，证明其精度等级可达0.5级，通过观察测试试验的情况，表明其具备大功率整流设备等情况下的在用电能表现场校验能力。此设计方案的研究有助于保障新时代用电监测与现场校验等工作下计量性能的准确可靠，具有显著的社会效益和经济效益。