大电流计量技术与标准装置

前言大电流传感和测量技术广泛应用于电力系统、工业生产、试验检测及科学研究中。交流、直流输电系统需要对变电站或换流站内各母线上的几百安到几千安的交流或直流电流进行准确测量以实现控制或计量的目的，保护系统甚至需要互感器对几十千安的暂态电流进行快速、准确的响应。核物理、风洞试验等科学研究领域对大电流传感和测量技术也提出了很高的需求。金属冶炼应用电解法生产铝、铜、铅、锌等产品，其电解电流从几千安到几百千安，大型铝电解厂的整流系统直流电流已高达300 kA。为检验电气设备及电子元器件、材料耐受瞬态电流所产生的热效应或安培力作用的能力，冲击电流试验的开展越来越为广泛，其测量准确性直接影响各类电气设备的经济设计及安全运行。电流标准装置与量值溯源技术为保障各类电流测量/传感设备的准确性提供了重要基础和保障。本书从基础理论出发，循序渐进阐述了工频及宽频带、直流、冲击电流标准装置和量值溯源的关键技术，总结了本领域的*新研究进展，包含笔者单位及业内同行在*近20年的重要研究成果，对有源电流比较仪、磁调制技术、新型电流量值溯源方法进行了重点介绍，其中部分章节为国家重点研发计划项目“海量电力用户多参量广域感知量测关键技术”（项目编号：2022YFB2403800）的研究成果。目前国内这方面的相关资料很少，本书是从事电磁测量，以及互感器、电流标准器及测试仪器领域相关检测、设计和研究人员进阶学习、提高专业素养的书籍。

本书共分9章，第1章绪论介绍电流标准计量技术体系、发展历史。第2章至第4章介绍工频和宽带电流比例标准设计技术、量值溯源方法，其中重点介绍了有源工频和宽带电流比较仪的关键技术，这方面目前国内相关资料很少，还介绍了基于安匝差测量的快速量值扩展方法。第5章和第6章在直流电流比例标准的基本原理基础上，讨论了零位误差、噪声的产生来源和抑制方法，重点针对磁调制的关键技术给出了图解和解析两种分析方法，*后介绍了直流电流比例的量值溯源方法。第7章和第8章全面介绍了冲击电流计量标准涉及到的理论、测量及计算分析方法，提出了在小电流下标定冲击电流测量装置的刻度因数、在大电流下测量其线性度，及考虑趋肤效应的基于冲击分流器的刻度因数量值溯源方法。第9章介绍了国内外工频、直流和冲击电流计量技术的*高技术水平。

中国电力科学研究院有限公司计量研究所副所长，博士学位，高级工程师，2017年入选中国电机工程学会青年人才托举工程，全国法制计量委员会能效标识分委会高压电气设备工作组秘书。长期致力于电能计量技术研究，深度参与建立我国110kV～1000kV国家工频电压比例标准装置，牵头建立高压电机及变压器能效计量检测标准装置。牵头开展回路状态巡检技术、工商业用户负荷辨识技术等计量关键技术研究应用，将实现对互感器二次回路监测全覆盖。主持完成多项国家和省部级重大科技攻关项目，获省部级科技进步奖9项，其中一等奖3项，2019年获中国专利优秀奖。

第1章绪论(1)
第2章工频电流计量技术(6)
2.1理论基础(6)
2.2双级电流互感器(9)
2.3电流比较仪(13)
2.3.1无源电流比较仪(13)
2.3.2补偿式电流比较仪(14)
2.3.3磁性误差(15)
2.3.4容性误差(19)
2.4有源电流比较仪(25)
2.4.1基本原理(26)
2.4.2(5～5000)A/5A有源电流比较仪(31)
2.4.3增益误差(34)
2.4.4磁性误差(39)
2.4.5容性误差(41)
2.5开口式电流互感器(42)
2.5.1开口式电流互感器的缺陷(42)
2.5.2开口式有源电流比较仪(44)
2.5.3关键性能试验(47)
第3章工频电流计量标准溯源方法(50)
3.1工频电流比例量值的传递技术(50)
3.2电流互感器检定(51)
3.2.1自校线路(51)
3.2.2电流互感器检定电流互感器(52)
3.3双级电流互感器检定(53)
3.3.1自校线路(53)
3.3.2双级电流互感器检定电流互感器(53)
3.4电流比较仪检定(55)
3.4.1自校线路(56)
3.4.2比较线路(56)
3.4.3(n 1)加法线路(58)
3.4.4乘法线路(60)
3.5基于安匝差测量的量值扩展方法(63)
3.5.1量值溯源线路(64)
3.5.2安匝比较器(65)
3.5.3量值溯源试验(69)
3.5.4与传统量值溯源方法的比较(73)
第4章宽频带电流计量技术及溯源方法(75)
4.1无源宽频带电流比较仪的误差(75)
4.1.1检零绕组误差(76)
4.1.2比例绕组误差(78)
4.2一种有源宽频带电流比例标准(80)
4.2.1基本原理(80)
4.2.2容性误差的补偿技术(82)
4.3宽频带电流比例的量值溯源(85)
4.3.1量值溯源方法(86)
4.3.2无源宽频带电流比较仪(89)
4.3.35 A/5 A自校(93)
4.3.4(10～600) A/5 A量值溯源(96)
4.3.5旁证试验(102)
4.4电流互感器的谐波特性溯源(110)
4.4.1CT研究模型(111)
4.4.2CT对单一频率正弦波的误差研究(112)
4.4.3CT对谐波电流的误差研究(115)
第5章直流电流计量技术(119)
5.1直流电流比较仪的结构与原理(120)
5.1.1DCC结构及工作原理(121)
5.1.2DCC中磁调制器典型结构(125)
5.2磁调制器的图解与解析(128)
5.2.1单铁心磁调制器(128)
5.2.2双铁心磁调制器(131)
5.2.3恒压源方波激励双铁心磁调制器(133)
5.3直流电流比较仪的灵敏度及误差(140)
5.3.1磁调制器的灵敏度及开环特性(140)
5.3.2直流电流比较仪的误差分析(144)
5.4DCC的噪声来源(149)
5.4.1磁头(铁心及绕组)固有噪声(149)
5.4.2DCC相关电路产生的噪声(151)
5.4.3降低噪声及零位误差的措施(151)
第6章直流电流计量标准溯源方法(153)
6.1直流电流比例量值传递技术(153)
6.21/1自校准方法(154)
6.3基于“StepUp”的量值扩展方法(154)
6.3.1校验线路(154)
6.3.2校验线路的验证(157)
6.3.3外磁场影响的试验(159)
第7章冲击电流计量技术(162)
7.1冲击电流关键参量(162)
7.2冲击电流转换装置(164)
7.2.1分流器(164)
7.2.2电流线圈(172)
7.2.3磁光效应传感器(185)
7.3冲击电流二次测量系统(186)
7.3.1冲击衰减器(186)
7.3.2冲击数字记录仪(190)
7.4冲击电流试验中的接地及屏蔽(191)
第8章冲击电流计量标准溯源方法(193)
8.1冲击电流的量值传递技术(193)
8.1.1校准设备的选用(194)
8.1.2测量设备的连接与布置(195)
8.1.3抗干扰措施(195)
8.1.4试验方法(196)
8.1.5测量不确定度的评定(197)
8.1.6现场校准实施(198)
8.2冲击电流的量值溯源(201)
8.2.1冲击电流量值溯源思路(201)
8.2.2冲击电流量值溯源框图(204)
8.2.3冲击电流标准波源(206)
8.2.4分流器电阻溯源法(208)
8.2.5卷积积分计算分析(210)
8.2.6冲击电流线性度测量(211)
第9章大电流最高计量水平(216)
9.1工频大电流比例基准(216)
9.2直流大电流比较仪(220)
9.3冲击电流计量标准(221)
9.3.1国际发展现状(221)
9.3.2国内发展现状(222)
参考文献(225)

本书共分9章，第1章绪论介绍电流标准计量技术体系、发展历史。第2章至第4章介绍工频和宽带电流比例标准设计技术、量值溯源方法，其中重点介绍了有源工频和宽带电流比较仪的关键技术，这方面目前国内相关资料很少，还介绍了基于安匝差测量的快速量值扩展方法。第5章和第6章在直流电流比例标准的基本原理基础上，讨论了零位误差、噪声的产生来源和抑制方法，重点针对磁调制的关键技术给出了图解和解析两种分析方法，*后介绍了直流电流比例的量值溯源方法。第7章和第8章全面介绍了冲击电流计量标准涉及到的理论、测量及计算分析方法，提出了在小电流下标定冲击电流测量装置的刻度因数、在大电流下测量其线性度，及考虑趋肤效应的基于冲击分流器的刻度因数量值溯源方法。第9章介绍了国内外工频、直流和冲击电流计量技术的*高技术水平。

中国电力科学研究院有限公司计量研究所副所长，博士学位，高级工程师，2017年入选中国电机工程学会青年人才托举工程，全国法制计量委员会能效标识分委会高压电气设备工作组秘书。长期致力于电能计量技术研究，深度参与建立我国110kV～1000kV国家工频电压比例标准装置，牵头建立高压电机及变压器能效计量检测标准装置。牵头开展回路状态巡检技术、工商业用户负荷辨识技术等计量关键技术研究应用，将实现对互感器二次回路监测全覆盖。主持完成多项国家和省部级重大科技攻关项目，获省部级科技进步奖9项，其中一等奖3项，2019年获中国专利优秀奖。

大电流计量技术与标准装置总序一个国家的计量水平在一定程度上反映了国家科学技术和经济发展水平，计量属于基础学科领域和国家公益事业范畴。在电力系统中，高电压大电流计量技术广泛用于电力继电保护、贸易结算、测量测控、节能降耗、试验检测等方面，是电网安全、稳定、经济运行的重要保障，其重要性不言而喻。经历几代计量人的持续潜心研究，我国攻克了一批高电压大电流计量领域关键核心技术，电压/电流的测量范围和准确度均达到了国际领先水平，并建立了具有完全自主知识产权的新一代计量标准体系。这些技术和成果在青藏联网、张北柔直、巴西美丽山等国内外特高压输电工程中大量应用，为特高压电网建设和稳定运行提供了技术保障。近年来，德国、澳大利亚和土耳其等国家的最高计量技术机构引进了我国研发的高电压计量标准装置。丛书作者总结多年研究经验与成果，并邀请中国科学院陈维江院士、中国科学院程时杰院士等专家作为顾问，历经三年完成丛书的编写。丛书分五册，对工频、直流、冲击电压和电流计量中经典的、先进的和最新的技术和方法进行了系统的介绍，所涉及的量值自校准溯源方法、标准装置设计技术、测量不确定度分析理论等内容均是我国高电压大电流计量标准装置不断升级换代中产生的创新性成果。丛书在介绍理论、方法的同时，给出了大量具有实际应用意义的设计方案与具体参数，能够对本领域的研究、设计和测试起到很好的指导作用，从而更好地促进行业的技术发展及人才培养，以形成具有我国特色的技术创新路线。随着国家实施绿色、低碳、环保的能源转型战略，高电压大电流计量技术将在电力、交通、军工、航天等行业得到更为广泛的应用。丛书的出版对促进我国高电压大电流计量技术的进一步研究和发展，充分发挥计量技术在经济社会发展中的基础支撑作用，具有重要的学术价值和实践价值，对促进我国实现碳达峰和碳中和目标、实施能源绿色低碳转型战略具有重要的社会意义和经济意义。

主编：
2022年12月