鉗形電流表校準(zhǔn)方法及優(yōu)化

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司 周建平 周小舟

鉗形電流表屬于手持式工具型多功能測(cè)量?jī)x表，在電力系統(tǒng)電流測(cè)量工作中有著非常高的使用頻率，屬于我國(guó)常用電氣儀表之一。對(duì)鉗形電流表自身與使用情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于不需接線，在線檢測(cè)，有效降低了測(cè)量難度，應(yīng)用范圍廣。在《中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范》中，針對(duì)鉗形電流表校準(zhǔn)要求進(jìn)行了詳細(xì)闡述，因此在實(shí)際工作前應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)鉗形電流表進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)符合相關(guān)規(guī)定后才可開展具體工作。

鉗形電流表包括電流互感器（鐵芯）與電流表（表盤及量程轉(zhuǎn)換部分）。在使用過(guò)程中，捏緊扳手后，電流互感器的鐵芯將變?yōu)閺堥_狀態(tài)，被測(cè)電流所經(jīng)過(guò)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)鐵芯缺口，然后在松開扳手后鐵芯自動(dòng)閉合，穿過(guò)鐵芯的被測(cè)電路導(dǎo)向?qū)⒆冏鲭娏骰ジ衅鞯囊淮尉€圈，借助電流，可在二次線圈中感應(yīng)到電流，然后與二次線圈存在連接的電流表將顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。鉗形電流表可根據(jù)需求調(diào)整檔位開關(guān)，以達(dá)到改變自身量程的目的，實(shí)際測(cè)量范圍通常處于10～1000A之間。

1 鉗形電流表校準(zhǔn)流程

鉗形電流表選型工作可決定實(shí)際工作效率與質(zhì)量，在實(shí)際選型過(guò)程中應(yīng)遵守如下流程：鉗形電流表量程非常廣，小到幾毫安、大到幾千安培，因此在實(shí)際選型過(guò)程中一定要結(jié)合自身實(shí)際需求選擇不同量程，不可使用小量程去測(cè)量大電流，也不可使用大量程測(cè)量小電流，以保證最終測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度；所選擇鉗形電流表是否可滿足實(shí)際測(cè)量需求，如電壓、電阻等[1]；鉗形電流表準(zhǔn)確度是否滿足測(cè)量精度；鉗形電流表額定電壓是否高于被測(cè)線路電壓；鉗形電流表鉗口大小與被測(cè)導(dǎo)線是否相匹配。

在對(duì)鉗形電流表進(jìn)行實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)，其詳細(xì)校準(zhǔn)流程如下：

首先要進(jìn)行測(cè)量誤差計(jì)算并選擇正確表示方法。鉗形電流表校準(zhǔn)工作屬于常規(guī)項(xiàng)目之一，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中需要參考JJF1075-2001《鉗形電流表校準(zhǔn)規(guī)范》，在此規(guī)范中，需借助滿量限額定電流值表示數(shù)字式或指針式鉗形電力表的基本誤差，具體計(jì)算方式為：γ=(X-X0)/Xm×100%。式中，X代表鉗形電流表所顯示數(shù)值，X0代表測(cè)量后所獲得實(shí)際數(shù)值，Xm代表鉗形電流表上限。目前鉗形電流表生產(chǎn)單位所提供誤差屬于相對(duì)誤差，與實(shí)際誤差間存在一定差距。即在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)所使用誤差進(jìn)行標(biāo)注，明確所使用屬于相對(duì)誤差還是引用誤差，或參考客戶要求給出與實(shí)際顯示值所匹配的對(duì)應(yīng)值。

在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)電流源與專用線圈、鉗形電流表三者間的匹配關(guān)系。鉗形電流表校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)多為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室所使用電流多為直流電且數(shù)值較小，因此在實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)可使用等安匝法進(jìn)行校準(zhǔn)，即將導(dǎo)線繞成N圈（假設(shè)N=10），之后將N匝線圈同時(shí)穿過(guò)鉗形電流表，標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出電流I（假設(shè)I=10A）通過(guò)導(dǎo)線，則此時(shí)就證明有N×I=100A的電流穿過(guò)導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)了電流放大。由于鉗形電流表量程較大，鉗口大小不同，因此為確保全部導(dǎo)線都可通過(guò)鉗口，應(yīng)結(jié)合不同需求選擇不同圈數(shù)、不同大小的線圈，確保鉗形電流表與線圈量程匹配、幾何尺寸匹配，確保校準(zhǔn)工作可順利完成[2]。

在此時(shí)，還需注意專用線圈與標(biāo)準(zhǔn)電流源之間的匹配度，對(duì)已完成校準(zhǔn)工作進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)校準(zhǔn)點(diǎn)與量程非常接近時(shí)，所獲得結(jié)果準(zhǔn)確度明顯降低，對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，之所以會(huì)出現(xiàn)此類情況，主要是因在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中專用線圈導(dǎo)線過(guò)細(xì)，但匝數(shù)較多、阻力較高，以致于出現(xiàn)了校準(zhǔn)誤差情況。為解決此類問(wèn)題，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)盡可能選擇較大功率電源，較粗的專用線圈，控制測(cè)量長(zhǎng)度。需要注意的是，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，應(yīng)盡可能使線圈可垂直通過(guò)鉗口中心處。

在對(duì)鉗形電流表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)準(zhǔn)確度會(huì)受到許多不確定因素的影響，為提高校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中需注意：在開始校準(zhǔn)前應(yīng)對(duì)鉗口鐵芯進(jìn)行清理，保證鉗口鐵芯整潔性，避免影響兩端接觸質(zhì)量；在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中不得受到外界因素干擾，通電導(dǎo)線與被測(cè)導(dǎo)線之間的距離應(yīng)大于0.5m，其他大電流設(shè)備應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；被測(cè)導(dǎo)線或線圈應(yīng)位于鉗口中心處，與電流互感器處于垂直狀態(tài)，如處于非垂直狀態(tài)會(huì)影響鐵芯上被測(cè)電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度，影響測(cè)量準(zhǔn)確度；如果在校準(zhǔn)過(guò)程中使用了專用線圈，則在進(jìn)行不確定評(píng)定工作時(shí)，必須考慮專用線圈的不確定度，以提高校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性[3]。

2 鉗形電流表常見校準(zhǔn)方法

2.1 毫安級(jí)直流鉗形表校準(zhǔn)

通常毫安級(jí)直流鉗形表會(huì)被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)變送器直流電流測(cè)量工作中，測(cè)量核心為霍爾元件，測(cè)量范圍在0～100mA之間，鉗口較少，在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)可選擇Fluke5500A、5520A、5522A等多個(gè)產(chǎn)品。以Fluke55xxA系列校準(zhǔn)產(chǎn)品為例，其校準(zhǔn)流程為使用一根導(dǎo)線將電流輸出端HI與LO端連接在一起，根據(jù)Fluke55xxA產(chǎn)品設(shè)置鉗形電表測(cè)量方位。

現(xiàn)以產(chǎn)品Fluke772作為被測(cè)鉗形表，使用Fluke5522A產(chǎn)品為校準(zhǔn)器，對(duì)二者間的TUR展開詳細(xì)分析。Fluke772鉗形表直流電流測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±（0.2%讀數(shù)+5dit）（0～20.99mA）到±（1.0%讀數(shù)+5dit）（21.0～100.0mA）之間。772鉗形表鉗口直徑較小，僅夠電流輸出導(dǎo)線穿過(guò)，此時(shí)單線圈導(dǎo)線的不確定度較小可忽略不計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)器不確定度主要指標(biāo)準(zhǔn)器5522A直流電輸出不確定度。當(dāng)輸出電流為20mA時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)器5522A1年的不確定度大概在1.0×10-6輸出+0.25uA之間，置信水平為99%，因此不確定度0.00225mA。B類不確定度分類為um符合校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，由此說(shuō)明此Fluke772符合校準(zhǔn)要求。

2.2 1000A以下鉗形表校準(zhǔn)

在對(duì)1000A以下鉗形表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)可選擇的測(cè)量方法有兩種，分別是基于互感器原理的測(cè)量與基于霍爾效應(yīng)原理的測(cè)量。第一種測(cè)量只適合交流電，鉗形表鉗口中有鐵芯，鐵芯中存在感應(yīng)線圈，可與互感器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)；第二種測(cè)量方法既適合交流電測(cè)量、也適合直流電測(cè)量。但由于在進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí)加入了線圈，使得在對(duì)校準(zhǔn)器不確定度進(jìn)行分析時(shí)須考慮線圈不確定度，然后分析標(biāo)準(zhǔn)器不確定度。

以Fluke381為被測(cè)鉗形表，可測(cè)量量程為999.9A，選用Fluke5522A與5500A/COIL50匝標(biāo)準(zhǔn)線圈為標(biāo)注器，在測(cè)量上限附近選擇校準(zhǔn)點(diǎn)位，完成381鉗形表與標(biāo)準(zhǔn)器之間TUR分析。在等安匝電流為975A時(shí)5522A輸出電流為19.5A，則此時(shí)量程為20A，此量程1年不確定度指標(biāo)為0.12%輸出+2mA，置信度水平99%，此時(shí)輸出不確定度指標(biāo)為0.12%×19.5A+2mA，此時(shí)不確定度為0.13%。

在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，供工作人員選擇的線圈標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一個(gè)為10匝、一個(gè)為50匝，對(duì)比發(fā)現(xiàn)50匝線圈準(zhǔn)確度較高。在實(shí)際工作中如遇到TUR不足問(wèn)題，可使用9100-200進(jìn)行替換。將所獲得結(jié)果代入到9100-200線圈指標(biāo)可得，所獲得校準(zhǔn)點(diǎn)位測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與要求相符。

2.3 1000A以上鉗形表校準(zhǔn)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用鉗形電流表測(cè)量范圍遠(yuǎn)高于1000A，如鉗形表Fluke345測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為2000A、Fluke381測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為2500A等，此類大型鉗形電流表校準(zhǔn)難度較高，傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法所獲得結(jié)果準(zhǔn)確性較低，在1000A以上鉗形電流表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，可使用輸出為120A的交流電或100A的直流電，選擇3000A（25匝）或6000A（50匝）的標(biāo)準(zhǔn)線圈[4]。

3 鉗形電流表校準(zhǔn)方法優(yōu)化方案

為解決鉗形電力表校準(zhǔn)工作存在的各項(xiàng)問(wèn)題，對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行整理分析后發(fā)現(xiàn)，可借助等安匝法輔助電流交流，提高直流電電流源的上限[5]。等安匝法的核心為將電流互感器的一次繞組與二次繞組相等的安培匝數(shù)進(jìn)行擴(kuò)大，即I1N1=I2N2，則I1/I2=N1/N2。在上述關(guān)系式中，I1、I2代表一次繞組與二次繞組所對(duì)應(yīng)電流，N1、N2則代表一次繞組與二次繞組所對(duì)應(yīng)匝數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，將穿過(guò)鐵芯的被測(cè)電路導(dǎo)線進(jìn)行擴(kuò)大，比如將1芯擴(kuò)大為10芯，結(jié)果顯示鉗形電流表上所顯示數(shù)值也將增大十倍，即通過(guò)等安匝法可更好的完成校準(zhǔn)工作。為判斷校準(zhǔn)工作質(zhì)量，應(yīng)對(duì)完成校準(zhǔn)的鉗形電流表進(jìn)行使用，在使用時(shí)需要注意如下問(wèn)題：

了解被測(cè)線路電壓，判斷其與鉗形電流表額定電壓間的關(guān)系，以確保工作人員安全不會(huì)受到威脅。如針對(duì)高壓線路進(jìn)行測(cè)量，則需要做好防護(hù)措施；不得對(duì)裸線電流進(jìn)行測(cè)量，如需測(cè)量則需對(duì)其進(jìn)行絕緣處理，以保護(hù)工作人員人身安全；定期對(duì)鉗口進(jìn)行檢查，及時(shí)對(duì)鉗口附近出現(xiàn)的脫落、破裂等情況進(jìn)行修復(fù)；在測(cè)量過(guò)程中，如鉗口附近出現(xiàn)電磁噪音，或工作人員感覺到手部傳來(lái)輕微震動(dòng)則應(yīng)立即停止測(cè)量，在對(duì)鉗口進(jìn)行清潔后在進(jìn)行繼續(xù)測(cè)量，保證測(cè)量準(zhǔn)確度；在測(cè)量過(guò)程中不得更換量程，如需更換則需停止工作，否則將對(duì)鉗形電流表造成破壞，并會(huì)威脅工作人員人身安全；在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中不得使用屏蔽類型導(dǎo)線，以防止磁場(chǎng)無(wú)法穿透被測(cè)鉗形電流表鐵芯，影響實(shí)際測(cè)量質(zhì)量。

綜上，校準(zhǔn)工作可影響鉗形電流表使用質(zhì)量與工作效果，因此應(yīng)提高對(duì)此項(xiàng)工作關(guān)注度，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定、重視準(zhǔn)備工作，以保實(shí)際工作質(zhì)量、提高校準(zhǔn)結(jié)果可應(yīng)用性。伴隨相關(guān)技術(shù)不斷成熟、社會(huì)不斷發(fā)展，還應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行優(yōu)化，以滿足行業(yè)發(fā)展需求，對(duì)優(yōu)化后鉗形電流表校準(zhǔn)方法進(jìn)行應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化后不僅實(shí)際校準(zhǔn)質(zhì)量有所提高，操作安全性、工作難度也得到了改善，可節(jié)省一定的人力資源與物力資源，為企業(yè)發(fā)展提供更多幫助。