钳形表校准典型校准方法

一、导言：

钳形电流表是一种广泛应用在电力检修、工业检测等大电流测量场景的仪器，本文将对其典型校准方法做讨论分析。本文阅读时间约5分钟。

二、目录：

1. 背景：钳形电流表原理与分类

2. 钳形电流表典型校准方法及对比分析

3. 天恒校准解决方案

三、正文：

1. 背景：钳形电流表原理与分类

· 工作原理

钳形电流表是一种将开合的磁路套在载流导体上测量其电流值的仪表，测量时无需断开回路即可得到被测电路的电流值。其工作原理为通过毕奥萨伐尔定律确定载流导线周围磁场强度与电流的关系，已知无限长载流导体的电流为I，则距离载流导体为r的A点产生的磁通密度按照式（1）计算：

  由式（1）可知，载流导线周围特定位置的磁通密度与电流值大小成正比，与该位置和载流导线的距离成反比。因此，可通过测量磁通密度间接测量电流值，测量时常将被测载流导线垂直穿过钳形电流表钳口几何中心（见图2）。

· 分类

钳形电流表按照测量原理可分为互感式、霍尔效应式和磁调制式，各原理测量对象和特点见表1：

表1  钳形电流表各测量原理说明

· 典型参数

2. 钳形电流表典型校准方法及对比分析

· 测量误差分析

钳形电流表的工作原理是通过检测磁场来间接测量电流，最理想的校准方法是采用标准电流源对一根无限长的导线施加测试电流，并使该导线垂直穿过被校钳形表的几何中心。但实际工作中，导线不可能无限长，会带来一定的误差。

如图3所示，无限长载流导线W0在P点产生的磁通密度B0按式（2）计算；如图4所示，有限长载流导线W1在P点产生的磁通密度BX按式（3）计算：

钳形电流表所测量的电流值与其所检测到的磁通密度成正比，由此可得到有限长载流导线所带来的系统相对误差γ（%）按式（4）计算：

实际测量中，钳形电流表测量有限长导线电流会产生误差，图5所示列出了不同取值D和L下的误差γ（%）：

  

图5  不同取值D和L下的误差

由图可知：

· 钳形电流表检测线圈直径D越大，测量所产生的的系统误差越大；

· 钳形电流表检测线圈直径D固定时，钳形电流输出环的载流导线长度L越大，系统误差越小。

· 等效安匝法

钳形电流表校准需要高精度的标准大电流源作为原边电流，但千安级的高精度交直流大电流源设计制造难度大，成本较高，因此早期通常使用等效安匝法进行校准。

等效安匝法，即将数十安培的标准电流源通过多匝线圈，并穿过被校钳形表钳口进行校准，此时钳形电流表检测到的电流为等效安匝电流=标准电流源电流×线圈匝数。

w/2代表C0柱与C1柱、C2柱的中心线距离，h代表钳形电流输出环载流导体中心线的高度。

在绕制过程中，匝与匝之间应保持良好的绝缘，整个钳形电流输出环制作应尽量保持中心对称。

等效安匝法受漏电流、线圈形状、外磁场等因素影响，准确度较低，且匝数增加时，电感呈平方倍快速增加，对校准源带感性负载能力要求较高，仅适用于低精度钳形电流表的校准。

· 单匝法

单匝法是一种将千安级大电流通过单匝标准电流环穿过钳形电流表的钳口，从而对钳形电流表进行校准的方法。典型单匝法钳形电流环输出结构见图7。

铜环制作中，应保持A-A’成轴对称，且直径不小于1m，与电流源端子应保持可靠牢固的连接并接触良好。

持续大电流工作时，其温升应不超过20℃。

单匝法的铜环方便拆卸，便于使用高等级的穿心电流互感器或直流比较仪对装置进行交直流电流的测量校准，校准时高等级溯源装置其不确定度应不大于校准装置允许误差绝对值的1/4，且铁心的几何中心应置于钳形表钳口放置处。单匝法是校准钳形电流表的主要方法，符合钳形电流表高准确度等级发展的方向。

表2  单匝法和等效安匝法对比

3. 天恒校准解决方案