郭永坤
江西省电力试验研究院 南昌 330006
1 简介
为提高我国的电能计量水平，开发适销对路的产品以满足电力系统计量部门和仪表厂家对高精度三相电能计量仪表的需要，改变高等级表还靠进口的状况，在我院和上级领导的支持下，从1997年6月起开始立项研制0．02级三相功率电能表，经过一年半的努力，解决了电路、结构、软件等都很复杂的问题，克服了存在电路和相间干扰方面的困难，使这台精度高、量程多、功能全的表计研制成功，于1999年7月通过鉴定并得到推广应用，鉴定后又设计了工艺上更完美的新表。
本项研究是用最先进的乘法器完成的，当今时分割乘法器用于功率变换已发展到同热电偶相当的水平，国外1989年就用特别时分割乘法器（UTDM）式变换器作国际间的功率标准比对，取得了很好的效果并沿用至今。这种UTDM式的表是全电子式的，具有轻便、稳定、不怕振动和过载，响应速度最快、输出波纹最小，线性和低功率因数特性非常好的特点，因而具有广泛的应用前景，是一种作标准传递很理想的表，但国外还没有继续用这种原理去做成三相表，据分析一是相间干扰难于解决，例如德国的C1－2只做成单量程的变换器，美国的MSB001A也是变换器，担心增加量程和显示会引入干扰，二是他们的压频变换器还是薄弱环节，如用于三相就更加勉强。此外，据了解国外对三相表的研究也并不深入，一些进入中国市场的三相表有的只是简单的把三个单相拼凑在一起，相间干扰的问题没有考虑到，因而单、三相测试结果不能统一，调试困难。 来源:http://tede.cn
在有了0．01级的单相表后，虽然可以用二台或三台单相表来作三相标准，但总是不经济、不方便，另外还存在二台、三台表作模拟相加或频率相加较复杂的技术问题，它作为在实验室内对三相表进行检验和标准溯源则还是有用的。
三相表是装于发电厂、电网和大用户上的重要表计，用三相供电是最科学、最经济的方式，也是动力设备必须的供电方式，因此从根本上来说电力测量是对三相电的测量，对三相功率和电能的计量更为重要，三相表计倍受重视。但是三相表计和标准较单相的难度更大，其原因之一是相间有电磁干扰，尤其在高等级表中这种影响更加突出，其二是各元件的输出相加减问题必须解决好。此外作为标准要能兼容单相、三相二元件和三元件，要能与各种表的输出相配合，要达到理想的境界就是只要用单相标准分相校验就够了。因为对功率、电能的计量最终还是要解决三相的问题，因此我们从1997年初就开始探讨研制0．02级三相功率电能表方案。
0．02级三相表是当前非常需要的标准，也是当前在技术上能作到的最高水平，计量院陆祖良博士等三人在1998年4月计量学报上发表了对进口0．02级三相表测试的研究报告，从列举的样例看，由于相间影响大，超差点较多，有的超过万分之四。此外在二元件时功率因数条件不利，在0．5时有可能一个元件会反向，而当前计量院也还未建立检0．01级三相表的标准，因此以当前达到0．02级为目标，以争取实现0．01级的高要求来制定方案。 来源:www.tede.cn
我们的研制方案是要利用0．01级单相表的成果，开发一种新型性能好、功能多、量程范围宽的功率电能表，各单相的准确度要达到0．01级，三相准确度为0．02级，在单片机应用方面要实现功率测量时可读刻度、可读功率数、可用10 s时基加一位，作电能校验时有高频比较法和低频比较法，高频取样数可超过百万，误差可算到10－6，可每测10次自动算一次方差，可显出本次和上次的二个误差，也可伴随显示常数比，使本表可与任何表接口和胜任各种测量、校验情况，还要能与计算机通讯作自动校表。经过一年半的努力，对所遇到的问题，都已一一得到解决，达到了预期目标。
2 工作原理
图1示出本表三相PVFC变换部分的原理框图，它有三个单相UTDM的P－V变换器，具有各相独立的模拟输出，在基本量程100 V、5 A、500 W时的额定输出为10 V电压，便于用外接数表读取和换算成实际功率。后有一个同步压频变换器SVFC，它设计为有三个电压输入，能完成对三个模拟电压的相加和将10 V输入转换为10 kHz的频率，它的线性输出可大到40 kHz，够三个正向输入且同时超额20％时使用。当作二元件表用时，允许一个元件为负，只要总加为正就可以。还设有一个模拟总加器，可以使三相866 W功率时的输出为5 V，便于作三相功率变送器校验用。
图1 三相PVFC原理框图 来源:www.tede.cn
图2是UDTM式P－V变换器方案图，其特点是：1．采用双级电流互感器作电流输入，它有1、2二个铁芯，有W1、W2、W3三个绕阻，W1、W2与二个铁芯同时交链，W3与W2匝数相等但仅与2交链，它们分别连到二个电子开关上，由于W3上仅流过剩余磁通产生的很小一部分电流，故其负载可以忽略不计，使合成输出的总电流非常精确。2．输出放大器接成差动方式，同极性的直流会相抵消，使运放失调影响和由模拟开关寄生电容注入的电荷影响大部分消除，使稳定性和线性大为提高。3．用固定电平比较器使时分割乘法器的交流输入得到改进，一是采用电子电路消除了无源积分电容上压降的影响，二是用辅助基准和开关，使切换基准的开关压降几乎为零，消除了开关电阻的影响。4．输出中的二次谐波分量，利用增加的RCN电路，从差动电路的前级取交流信号反相后注入后级，使之得以基本消除，这样可减少输出反馈电容，从而也加快响应速度。5．有零点调节ZA和相位调节PHA，满度是靠电压基准和稳定电阻来保证的。 来源:www.tede.cn
图3是本表UTDM积分放大器的输出波形，在未加电压时对称的三角波a，当加电压时便成为不对称的锯齿波如b、C，b为额定输入正峰值时的波形，c为负峰值时的，其它值时则介于其间。
P－V部分采用特殊的电阻分压器来扩充电压量程，它们的误差都可达到十万分之一，长期保证附加误差不大于十万分之二，增加的量程有50 V、200V和400 V，允许用到过量程的20％。输入电流互感器有5 A、1A和0．1A三个量程，后者还被用来作扩大量程10 A和50 A的变换输入，是另一个带电子补偿的双级电流互感器，电压和电流量程全用继电器切换，使输入接线最简。
3 三相表要解决的关键问题
三相功率的测量虽可用二个或三个单相表来完成，电能表也一样，但读出的结果要相加，用二元件时还要考虑一个元件能测反向的问题，因此三相表是必不可少的，它必须达到用二、三个单相表测三相的同样效果，又必须做到更经济、更方便。
做三相表可以共用电源、基准、控制电路和显示器等，它的经济性是很明显的，但三元件做在一起最难解决的是相间影响，这种影响主要是从各自输入、输出产生，也通过公用电源产生。本表采用平面布局，使各输入元件尽可能屏蔽和远离，减小它们间相互影响，电源部分采用漏磁小的R型变压器并置于仪表左前角，同右后面电流互感器离的最远，直流部分增加高低频滤波，以消除经由电源产生的耦合，此外各直流电源和讯号的地也必须走线合理，避免干扰，相间干扰是使本表花费半年多时间才得到解决的问题。达到十万分之三的高水平，比某些进口表小一个数量级，使单、三相校验结果符合，是一个重大的突破。
本表采用电阻作电压输入，只要进行静电屏蔽就可防止外电场干扰和相互影响，比采用电压互感器作输入有线性好、无外泄磁场、轻便、负载效应小等优点，但各相间有一个公共点，不能接成三角形，此外它的低端与模拟OV相通，因此频率输出采用磁环耦合，通常的光耦已不能用。为了校准电压量程，已研制了专用感应分压器，可以使误差在10×10－6以内。
为使各相功率模拟输出便于换算成功率读数，已把过去500 W输出8．3333 V改为10．0000 V即提高了输出电压，但这也带来了问题，就是过20％就成12 V，这在50 V量程用到60 V却是正常使用，原来的电路达不到也没有必要达到12 V的输出要求，因此又对放大器的输出作了改动，使之能满足提高后的要求。还解决了通过自制的感应分压器，用120∶100的比例让500 W输出为8．3333 V的表加120 V，本表经感分加100 V，这样二个表的输出就应相等，实现了二者的互相比对和调整。此外在压频变换和单片机应用的开发上也取得了重大进展。
综上所述，在单相表完成后在做三相表虽然在原理上已没有问题，但在技术上和工艺结构、布线、布局以及在同单相标准的对比试验中，还遇到不少问题。因为三相表的复杂性是单相的三倍，因此出现的问题更难查出，调试点的设置要互不影响，还要加一些明显的测试点以便检查重要的工作点。
4 性能测试和应用
本表完成后先在我院做了多种测试检验其性能指标，所用的标准为自产的0．01级单相表，所作的单相和三相电压相并、电流相串的总加试验，按技术条件要求的各种情况的结果都在万分之一以内，也就是同单台0．01级表一样。在220 V、cosΦ＝0．5 L最不利条件下作的三相不平衡时的结果与单相试验结果仅差十万分之三，表明该表已达到0．01级的要求。为解决同三台单相表比对的问题，还成功的作了三路脉冲相加器，它带有贮存功能，即使同时发生的三个脉冲也不会漏记，为单、三相的互比创造了条件。本表还由于增加了功能很强的单片机和显示，全部工作都可程控或由面板按键操作，因此使用方便，除作试验室标准外也适合携带现场检验关口表和作三相精密测量。
该表于1999年2月在计量院作了三相四线总加、三相四线分相、单相串并联各单相输出频率、三相三线不平衡等试验，试验表明该表具有相间影响小、线性很好的优点，因此它已经是可以用单相方法来调整和校验，它本身的调整由于相互独立也变的简单，故本表是实现单三相过度的理想表计。
表1～3列出了在计量院作的测试数据。
从计量院试验结果看，若进一步调整可作到使上列测试点的相对误差在万分之一以内。首批表作了5台，后来又用进口机箱和采用真空管荧光点阵字符显示器做了3台，江西省计量所已购该表作为省里的三相标准正发挥其作用。此后湖北电力所、安徽电力所、青岛电度表厂和海南计量所都相继购买，我们还为用户解决了增加100 A量程和用于检校验台的特殊要求问题。广西电力所、广州计量所等已意向定购。本表的研制成功为发展我国更高等级表取得了经验，奠定了基础，鉴定后我们还在不断改进电路和工艺，正在为广州计量所做能达到三相0．01级要求的表。
参考文献
1 陆祖良、李敏、郭凤英．高等级三相电能表测试的研究．计量学报，1998：81～87。
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