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1、国家校准规范光纤大电流测量仪校准规范调研报告光纤大电流测量仪校准规范起草工作组2019年11月国家校准规范光纤大电流测量仪校准规范调研报告根据关于国家计量技术规范制定、修订及宣贯计划有关事项的 通知（市监量函2018 540号）、关于下达“2018年国家计量技 术规范制定修订工作任务”的通知（高压计量分委会201819号） 文件，国家计量校准规范光纤大电流测量仪校准规范（以下简称 本规范）由全国电磁计量技术委员会高压计量分技术委员会归口组织 制定工作。由中国计量科学研究院、国家高电压计量站、国网浙江省 电力电力科学研究院、山东省计量科学研究院、西安高压电 器研究院有限责任公司、广东电网有限责任
2、公司计量中心等单位起草, 主要起草人包括：李传生、邵海明、黄俊昌、沈署明、李文强、任稳 柱、宋强等。规范起草工作组于2018年08月成立。在2019年2020年，工 作组通过 、实验室及现场测试等方式与仪器研发、生产单位及用 户单位进行了沟通交流，调研了国内光纤大电流测量仪的研发、生产 制造现状，主要量传应用领域及校准方法，查阅了相关标准和技术规 范，现将调研情况总结如下。1 .产品概述光纤大电流测量仪在物理机理上主要基于Faraday磁光效应和 Ampere定律。传感光纤围绕被测电流形成闭合环路，其中传输的两 束圆偏振光在被测电流产生的磁场作用下形成相位差，该相位差与被 测电流成正比。采用光
3、学干涉测量技术，通过探测两束圆偏振光之间 的相位差可实现电流测量。测量仪主要由光纤敏感环、光电信号检测 模块及显示仪表组成，一般也带有数字或模拟输出接口。光纤大电流测量仪的主要特点是：测量准确度较高、动态范围大、 可以同时测量直流和交流电流；传感光纤一般采用柔性封装，可在不 断开载流母线的情况下在线安装，匝数可根据被测电流的大小及测量 准确度的要求灵活配置；便携性好，适合作为量值传递标准实现超大 电流量的现场校准。2 .国内现状国内光纤大电流测量仪的主要研发生产厂家包括：北京世维通光 智能科技、上海康阔光智能技术、北京航天时代光 电科技、湖北迅迪科技、湖北华冠光电测控设备有 限公司、珠海汉彩强
4、电测控设备等。相关科研单位主要包括: 中国计量科学研究院、北京航空航天大学、中国科学院等离子体物理 研究所等。产品主要形式如图1所示，测量范围：5kA750kA（局部 厂家声称最大测量电流1000kA）,测量准确度0.2%。产品主要用户单 位包括：电解铝厂，电气产品性能检测机构（西安高压电器研究院有 限公司、国家智能电网输配电设备质量监督检验中心、天津天传电控 设备检测等），省、市级计量院及各计量校准企业等，平均 每年市场规模约30台套左右。图1光纤大电流测量仪产品形式.应用领域光纤大电流测量仪适用于直流、工频及长脉冲等低频超大电流的 测量，可用于电解冶金、电力设备动热稳定试验、交流及直流脉冲
5、电 焊等领域超大电流的校准。在电解冶金领域，被测电流为直流超大电流，范围在几kA到数 百kA,普遍采用的测量方法为霍尔大电流传感器。电解电流的准确 测量与工艺流程、平安生产、节能减排密切相关，现场的霍尔大电流 传感器需要定期校准。由于体积、重量庞大，安装、运输不便，电源 容量要求极高，霍尔电流传感器很难到计量实验室校准。因此，需要 一种准确、便携、抗干扰能力的超大电流量值传递标准，光纤大电流 测量仪很好地适应了这一需求。动热稳定性试验、短时耐受电流能力试验用于考核电力设备在电 路系统过载和短路等非正常工作条件下承受短时巨大电动力和热效 应而不被破坏的能力，是互感器、断路器、隔离开关、母线等设备
6、研 发和性能验证的有效手段，也是型式试验的主要测试工程。短路试验 电流一般在几十到数百kA,需要准确测量，以保证不因试验电流偏 大而损坏被试设备，亦不因电流偏小而不能充分验证被试设备性能造 成平安隐患。试验电流分为工频、直流两种。工频短路试验电流又可 分为对称和非对称两种，其中非对称短路电流为工频电流与呈指数衰 减规律变化的低频电流的叠加；直流短路电流近似为平顶长脉冲信号, 其上升时间及持续时间均在几十到数百ms量级，在脉冲的平顶段叠 加有纹波电流。目前，普遍采用的短路电流测量方法为罗氏线圈或分 流器。罗氏线圈无法测量直流电流，对于工频短路电流的指数衰减分 量测量精度受限，对平顶直流短路电流的
7、响应存在跌落；分流器需要 介入试验回路，其阻值存在温度系数，由于短时无法有效散热，短路 电流产生的焦耳热将使其温度急剧升高，需要仔细评估热效应的影响。 光纤大电流测量仪适用于低频超大电流的高准确度测量，很好地适应 了这一校准需求。2001000-100-200605040302010(b)直流短路图2短路试验电流实际测试结果3 .校准方法光纤大电流测量仪与光纤电子式电流互感器原理相同，仅是被测 电流的大小存在一定的差异。目前，电子式电流互感器的校准技术已 经成熟，已制定的检定规程、校准规范、国家标准包括：JJG 11572018直流电流互感器检定规程，JJF 16172017电子式互感 器校准
8、规范，GB/T20840.82007互感器 第8局部：电子式电流互 感器等。作为电子式电流互感器，光纤电流测量仪的测量准确度可以满足 电力系统测控和保护的应用需求。但应用于超大电流测量时，光纤电 流测量仪出现了非常明显的非线性误差，需要通过校准保证其在大动 态范围内的测量准确度，以适应交变、动态超大电流的测量需求。另 外，光纤大电流测量仪具有量程自扩展特性，Faraday磁光效应与被 测电流及光纤敏感环的匝数的乘积成正比，通过多圈光纤敏感环倍增 Faraday效应实现等效校准，可以扩展测量范围。光纤大电流测量仪 的校准与电子式互感器既有相同之处，也有自身特有的特性需要关注。光纤大电流测量仪的校
9、准对电源容量和标准器的动态范围均有 较高的要求。国家高电压计量站拥有60kA工频电流比例国家基准， 可实现光纤大电流测量仪工频大电流的校准。图3光纤大电流测量仪工频大电流校准中国计量科学研究院基于等安匝法建立了光纤大电流测量仪校 准装置，最大电流可达直流300kA、工频50kA,装置采用直流电流 比拟仪和电流互感器作为标准。图4基于等安匝法的光纤大电流测量仪校准装置4 .调研结果分析光纤大电流测量仪具有测量准确度高、动态范围大、便携性好、 敏感环路柔性可开环、抗干扰能力强，便携性好等特点，适用于低频 超大电流的测量，可作为量值传递标准，解决超大电流在线计量溯源 难题，量值传递需求明确。作为一种大电流测量仪器，光纤大电流测 量仪有其自身特有的特性（如非线性、量程自扩展特性等）需要关注， 与电子式电流互感器的校准存在一定的差异。为了弥补光纤大电流测 量仪的校准溯源在手段和规范上的缺乏，保证量值溯源的科学性和严 谨性，有必要制定相应的校准规范，以指导光纤大电流测量仪的校准 工作。