邓 文 孙 宇 陈 兰 冯 路

摘 要：文中研制的 10 kA 强直流电流标准源由 18 路 600 A 电流源并联至汇流排，进行大电流输出。其精度达 100 ppm/a。该标准源采用了新型宽频直流比较仪技术，开关电源并联的分布式电源系统，以及全面的过压、过流、电流开路保护系统等。通过实验对 600 A 源进行性能测试，其短期稳定性均保持在 10 ppm/min 水平。该标准源具有高精度、高安全性、操作智能化、检定自动化等优点，为建立直流大电流量值传递体系和检测规范提供了依据。

关键词：10 kA 强直流电流标准源；宽频直流比较仪；开关电源；保护系统；量值传递

中图分类号：TM93

文献标识码：A

直流大电流广泛应用于电力系统、工业生产、航天航空、高铁机车等重要行业。核动力、金属电解、高能物理等科学研究中，也需要用到数千安甚至更大的电流。当前直流大电流测量方法包括分流器法、直流互感器法、电流比较器法、霍尔电流传感器等磁学方法。直流大电流测量的准确性会直接影响到直流电能的计量。

在国内，直流大电流量值传递体系一直没有建立，对于高效节能更是无从谈起。本文提出的强直流电流标准源，电流输出能力为 10 kA，年变化率 100 ppm/a，其内核由高稳定度调节源和宽频电流比较仪构成，短期稳定度达 10 ppm/min。为建立直流大电流计量量值传递体系和检测规范提供了依据。

1. 10 kA 强直流电流标准源

1.1 标准源的主要特点

（1）标准源由计算机软件、操作台、18 路 600 A 电流源、电压测量模块等组成。输出 10 kA，连续可调，允许输出电压 4 V。

（2）18 路独立电流源：18 路电流源可单独控制，系统架构灵活。电流输出范围：0~600 A；输出稳定度：0.002%/min；年准确度：0.005%，调节细度：0.005%。

（3）采用多个开关电源并联的分布式电源系统，具有输出容量大、效率高、高可靠性等优点，是保证大电流输出主要因素。采用的开关电源不仅能满足 EN/UL60601 等安全标准的要求（包括对低漏电流和强化隔离的要求），还满足电磁干扰（EMI）B 级要求。可以保证输出功率达到额定功率的 50%。

（4）可靠的保护系统。具有全面的过压、过流、电流开路保护系统。若其中某一路电流源出现故障，不会影响其他电流源正常工作。

1.2 10 kA 标准源

主要特点介绍：

（1）计算机自动检测软件：通过 RS232 与下位机进行数据通信。进行数据处理、报表打印、数据保存等。

（2）操作台：是硬件装置同计算机通讯的桥梁。它既可以连接计算机进行全自动检定，也可以脱离计算机软件单独控制硬件进行半自动检定。

（3）18 路电流源：是整套系统的核心。由32位微处理器、EEPROM、FPGA、开关电源、PWM、驱动及功放模块、电流比较仪、A/D及D/A、各类通讯接口、按键、报警、电源模块等组成。

（4）汇流排：起到汇流母线作用。由较厚的铜板制作而成，散热快，可承受顺时大电流。

2. 600 A 电流源

单台电流源的精度是保证整套装置作为大电流计量标准的关键。下文将分析单台 600 A 电流源的原理及技术难点。

2.1 工作原理

（1）电源部分：220 V 市电一方面通过变压器变成直流电压给整个系统供电。另一方面进行整形滤波变成直流大电源，再通过 PWM 进行脉冲调制输出。

（2）直流电流输出控制：32 位微处理器接收到操作台命令后，通过 SPI 通信接口传送至 FPGA，FPGA 再控制 D/A数模转化器输出一个电压基准信号传送至积分器，此信号与反馈信号传送至积分器经过时间τ输出一个稳定的电压信号。该电压信号控制脉宽调制器 PWM 生成方波信号的幅值，方波信号通过功率放大器后驱动电流功放模块输出直流大电流，电流经滤波后，流经宽频直流比较仪。宽频比较仪将该大电流按设计好的比例标准二次转换成小电流，该小电流通过I/V转换电路变成电压信号。此电压信号一方面进入反馈电路反馈至积分器，从而构成一个闭环负反馈系统，另一方面进入 AD 采样电路，记录当前实际输出值。系统平衡建立的时间不超过 1 μs。

表1

2.2 技术难点及解决方案

本系统中难点在于大电流的测量，大电流测量精度直接影响到电流源的精度。本系统采用新型直流比较仪测量电流，能够快速反馈电流变化。建立磁平衡的时间不超过 1 μs。而直流比较仪存在磁性和容性两种误差。磁性误差是由铁心磁导率不均匀、磁特性的非线性、铁心截面不一致、原副绕组分布不均匀以及外界杂散磁场的影响引起的。可以采用高磁通密度材料制成的主磁屏蔽和高磁导率材料制成的内屏蔽，将误差减小至 1×10^-8。容性误差是由于绕组线匝之间、绕组与绕组之间以及绕组对地之间存在寄生电容和电位差使得它们之间产生相应的漏电流引起的。可以采用静电屏蔽减小误差。对于测量线路误差，主要是减少补偿绕组漏阻，补偿绕组选用截面较大的铜绝缘导线绕组，减少对补偿绕组电流测量的影响。宽频直流比较仪由双铁芯叠加绕线而成。IP 为直流大电流，W1为激励绕组，W2 为检测绕组，W3 为补偿绕组。其中铁芯 A 由高导磁率软磁材料制作，铁芯 B 由低导磁率铁氧体材料制作。实现原理：激励源激励铁芯 A 和 B，W2绕组检测信号通过二次谐波带通滤波电路，检测二次谐波信号。通过解调器得到直流信号，经过前置放大器将信号放大，来控制伺服电流源输出电流至 W3 补偿绕组，经过不断调整使得使得铁芯1和铁芯2达到磁平衡状态。系统平衡建立的时间不超过 1 μs。通过标准电阻 R 进行电流采样，测试得到 U，计算出补偿绕组电流，根据绕组匝数比计算出 IP 值。同时此信号可作为报警信号等状态信号。

U = N×IP

式中：N为比例常数

图1 宽频直流比较仪

结语

本文提出的 10 kA 强直流电流标准源精度高，具有全面的过压过流保护，安全可靠。计算机专用软件，实现灵活的数据管理，并导出不同格式的测试报告。为直流大电流量值传递体系的建立提供依据。

参考文献：

【1】邵海明. 国家直流大电流计量标准研究 [J]. 中国计量，2014（03）.

【2】揭秉信. 大电流测量 [M]. 北京：机械工业出版社，1987.

【3】赵宪宁，高杰等. 开关电源模块的并联均流和冗余设计 [J]. 电磁场与微波，2015.