強功率直流電流(又稱“直流大電流或強直流電”)準確計量，在采用電解法工藝生產(chǎn)有色金屬和氯堿等電解產(chǎn)品的高耗電行業(yè)中占有重要地位，是準確量化電解產(chǎn)品電耗經(jīng)濟指標和節(jié)電的技術(shù)基礎(chǔ)。企業(yè)采用高電壓、大容量電力整流設(shè)備，將強功率交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能(統(tǒng)稱“強電”，數(shù)兆瓦至數(shù)百兆瓦量級)，由直流大電流(數(shù)千至數(shù)十萬安培量級)分解含有色金屬的電解質(zhì)，生成有色金屬原材料(鋁、銅、鉛、鋅等)，或以電解食鹽為基礎(chǔ)生成氯堿等化工產(chǎn)品。然而，基于電磁轉(zhuǎn)換測量原理的直流大電流測量設(shè)備(又稱“電流傳感器”)，在生產(chǎn)現(xiàn)場的強磁場環(huán)境下，對直流大電流準確測量有相當難度，企業(yè)被迫從交流用電量、電力整流設(shè)備整流效率值(非實測值)，以及整流后的直流電壓推算出直流大電流的量值。這種間接計量方法十分粗放，導致電流量值及其電耗經(jīng)濟指標失準，影響了生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，以及工藝設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮，最終導致企業(yè)的電能利用率和經(jīng)濟效益降低，嚴重制約了挖潛節(jié)電工作的開展。
    20世紀70年代末80年代初，經(jīng)濟建設(shè)中的電力供需矛盾十分突出，迫切要求高耗電行業(yè)企業(yè)節(jié)電降耗。與此同時，企業(yè)要求解決直流大電流計量難題的呼聲，推動了當時國家計量、標準和電工儀器儀表部門開展強功率交、直流電工儀器儀表的研制，以及能源基礎(chǔ)與管理標準的制定。但由于各部門基于傳統(tǒng)計量理念，又對高耗電企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的特殊性缺乏感性認識，所取得的計量和標準化研究成果，不能滿足推進企業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)進步和節(jié)電的需要。
    為此，20世紀80年代后期，在國家技術(shù)監(jiān)督局科技司的主持下，根據(jù)錢學森先生提出的系統(tǒng)工程管理計量理念，打破強電計量科研成果部門管理的局限，將分散的強電計量研究力量和成果資源進行技術(shù)集成，由10個單位的跨行業(yè)專家組成大課題組，以企業(yè)生產(chǎn)基于直流大電流測量的電耗技術(shù)經(jīng)濟指標(包括電流效率、直流單耗、整流設(shè)備的整流效率和電能利用率等綜合量)，作為高耗電企業(yè)的一項系統(tǒng)測試工程的測量對象，推動強電電耗綜合量技術(shù)經(jīng)濟指標在線測量取得了突破性進展。所取得的計量科技成果，被納入“八五”期間《國家重點科技成果推廣計劃》項目之一，并且通過課題組在生產(chǎn)現(xiàn)場測試應(yīng)用研究，總結(jié)出一整套《強功率交、直流電能在線綜合測試技術(shù)》(簡稱《強電在線測試技術(shù)》)成果，包括《交流電能(電功率)測量綜合誤差的測試計算及改進技術(shù)》、《強直流測量設(shè)備在線測試校準技術(shù)》和《電力整流設(shè)備運行效率在線測量技術(shù)》。該項強電綜合量計量成果，解決了多年困擾高耗電行業(yè)電耗技術(shù)經(jīng)濟指標無法準確計量的難題，對推進高耗電行業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)進步、節(jié)電降耗、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式有顯著的技術(shù)經(jīng)濟價值。然而，建立在傳統(tǒng)計量管理方式基礎(chǔ)上的《強電在線測試技術(shù)》，尤其是直流大電流比率值采用在線校準的量傳方式溯源，由于標準設(shè)備笨重、測量效率低、測量規(guī)模、勞動強度大，且有安全風險，高耗電企業(yè)不易掌握。
    

探索強直流電計量檢測體系  變企業(yè)被動計量為自主計量

    進入“九五”，《強電在線測試技術(shù)》成果被國家計委、國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委推薦為《“九五”期間重點推廣節(jié)能科技成果》之一，國家技術(shù)監(jiān)督局在制定“九五”事業(yè)發(fā)展規(guī)劃時提出了將單純量值傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)榱總髋c溯源相結(jié)合；從計量器具管理轉(zhuǎn)變?yōu)榕c計量數(shù)據(jù)管理相結(jié)合；中國計量科學研究院(以下簡稱“計量院”)承擔了《國家“九五”節(jié)能新技術(shù)開發(fā)計劃》中的《強直流電測試技術(shù)》攻關(guān)專題研究任務(wù)。在此背景下，筆者認為借助國家主管部門重視和計量院的科研平臺，通過攻關(guān)推動直流大電流測量技術(shù)更新，是一次難得的機遇。筆者提出直流大電流計量技術(shù)改進，應(yīng)作為一項系統(tǒng)工程通過技術(shù)攻關(guān)加以解決的思路，并促成計量院、北京工業(yè)自動化研究所(簡稱“自動化所”)和青銅峽鋁廠(以下簡稱“青鋁”)三方組成了攻關(guān)課題組。
    為改變直流大電流計量依靠傳統(tǒng)量傳技術(shù)路線和成果推廣難的現(xiàn)狀，根據(jù)ISO10012-1《計量配備管理工作》和ISO10012-2《測量設(shè)備的質(zhì)量保證要求》中的測量設(shè)備的計量確認體系和測量過程控制指南的要求，筆者提出了學習、借鑒和改造美國標準技術(shù)研究院(NIST，即美國原標準局NBS)的《計量保證方案》(Measurement Assurance Programs, MAP)中的量傳與溯源原理，將其簡化后使之適合所要探索的直流大電流計量檢測體系(以下簡稱“體系”)，即將典型MAP原理中的標準實驗室與參加實驗室之間的量傳(溯源)關(guān)系，改造成由主持直流大電流測量質(zhì)量控制校準實驗室(以下簡稱“校準實驗室”)，與企業(yè)直流大電流測量系統(tǒng)之間的量傳與溯源關(guān)系；此外，還必須改變以往直流大電流測量系統(tǒng)不設(shè)電流比率標準裝置(以下簡稱“工作標準”)的傳統(tǒng)，為企業(yè)每個測量系統(tǒng)配備一臺工作標準。
    體系設(shè)計方案的運作程序是:工作標準與傳遞標準在校準實驗室經(jīng)同步校準確認二者的準確度等級，再同時測量二者的某一個電流值，用二者測量電流的差值，將其定義為工作標準過程控制參數(shù)(以下簡稱“過程參數(shù)”)初始值。到了企業(yè)現(xiàn)場后，再用二者曾測量過的同一電流值，復現(xiàn)過程參數(shù)初始值，若初始值仍不變，便確認工作標準在現(xiàn)場具有溯源性。傳遞標準返回到校準實驗室后，測量其準確度，若準確度仍不變，則驗證了傳遞標準從校準實驗室到現(xiàn)場，再由現(xiàn)場回到校準實驗室這一閉合過程，體系測量的數(shù)據(jù)參數(shù)是穩(wěn)定的，建立起相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。企業(yè)采用自己確認過的工作標準對直流大電流測量系統(tǒng)的分電流傳感器逐一校準后，建立起總加測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測量綜合誤差由分電流傳感器測量誤差的加權(quán)平均值決定，它必然小于分電流傳感器的最大誤差值，而且可以修正。修正總加測量系統(tǒng)的測量綜合誤差后，便確定了測量系統(tǒng)的總電流的實際值，再用此實際值作參考，與總電流傳感器的測量值進行比較，便可確認總電流傳感器的測量誤差(可確認是否合格)。將總加測量系統(tǒng)的電流實際值與總電流傳感器二者測量的差值，定義為直流大電流測量系統(tǒng)的運行過程參數(shù)。監(jiān)測此參數(shù)在總電流傳感器控制限值(最大允許誤差值)之內(nèi)，從而可對測量系統(tǒng)的測量質(zhì)量進行實時監(jiān)控。工作標準測量質(zhì)量的控制是，由工作標準與總加測量系統(tǒng)中的一臺分電流傳感器在同一電流母線上運行，將二者在同一電流下的測量差值，定義為工作標準的運行過程參數(shù)，監(jiān)測此參數(shù)在分電流傳感器的最大允許誤差限值之內(nèi)，即可對工作標準的測量質(zhì)量進行實時監(jiān)控。
    這一新設(shè)計的測量質(zhì)量控制體系是建立在直流大電流測量系統(tǒng)工作標準過程參數(shù)初始值及其運行過程參數(shù)，以及整個測量系統(tǒng)運行過程參數(shù)值監(jiān)測基礎(chǔ)上的。企業(yè)掌握直流大電流測量設(shè)備的計量特性數(shù)據(jù)參數(shù)，自行開展包括工作標準在內(nèi)的電流傳感器的在線計量確認、核查和量值的溯源，既滿足了生產(chǎn)管理計量的需求，又節(jié)省了在線校準的生產(chǎn)檢測成本，從而將直流大電流傳統(tǒng)量傳在線校準技術(shù)路線，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代數(shù)據(jù)化管理的在線監(jiān)測技術(shù)路線。
    體系采取的技術(shù)路線和運行設(shè)計方案確定后，必須有相應(yīng)的硬件和軟件支持，還要經(jīng)企業(yè)生產(chǎn)試點運行，驗證體系運行的可行性和可操作性，這是一項大的工業(yè)計量管理體系建設(shè)工程，難度和工作量極大。
    體系軟件研究是在硬件研制支持的同時，在青鋁試點運行基礎(chǔ)上起草、編寫《直流大電流測量過程控制計量技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)?！兑?guī)范》有很強的針對性，就是要改變20多年來高耗電行業(yè)直流大電流量值混亂的局面，包括理順有關(guān)直流大電流測量名詞術(shù)語定義概念和電流傳感器現(xiàn)場沒有工作標準所引起的混亂，以及電流傳感器市場無序競爭所形成的計量誤區(qū)。
    1998年年底，在完成校準實驗室主要標準設(shè)備和現(xiàn)場工作標準的研制后，進入青鋁試點運行，課題組和企業(yè)現(xiàn)場工作人員按《測試大綱》測得了全部數(shù)據(jù)參數(shù)。令人欣喜的是企業(yè)技術(shù)人員很快學會并掌握了運用測量數(shù)據(jù)，自主對直流大電流測量系統(tǒng)電流傳感器進行計量確認和運行過程測量質(zhì)量的控制。半年后，再用傳遞標準對青鋁測量系統(tǒng)的測量質(zhì)量進行核查，核查結(jié)果證實了現(xiàn)場工作標準測量質(zhì)量是可控的。與此同時，也證實企業(yè)以往不設(shè)工作標準和無可遵循的《規(guī)范》，是直流大電流量值混亂和電能利用率低的技術(shù)關(guān)鍵所在。青鋁自從采用科學的計量數(shù)據(jù)指導供電，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，使噸鋁直流電耗降低了148kW?h，噸鋁綜合交流電耗比上年降低了159kW?h，全年節(jié)電8281775kW?h，折合人民幣250萬元。
    2000年3月，國家重點科技攻關(guān)計劃專題《強直流電測試技術(shù)》由科技部組織了驗收，該項成果提高了試點企業(yè)自主計量的技術(shù)能力和電能利用率，推動了強電計量成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。
    

探索強直流電全數(shù)據(jù)化管理  創(chuàng)新節(jié)電現(xiàn)代測量技術(shù)基礎(chǔ)

    在青鋁的成功試點，充實了《規(guī)范》的技術(shù)內(nèi)容，加快了研究起草的步伐，與此同時，青鋁提出在線監(jiān)測技術(shù)仍保留了分電流傳感器的在線校準，還是感到現(xiàn)場操作費時、費勁，希望在線監(jiān)測技術(shù)再便捷一些。這一意見促使課題組思考進一步簡化分電流傳感器的測量數(shù)據(jù)計量管理。
    進入21世紀初，中國有色金屬工業(yè)技術(shù)開發(fā)交流中心牽頭，對河南某鋁廠新建的110kV直降整流機組的直流大電流測量系統(tǒng)(由四路分電流并聯(lián)組成)進行計量確認，邀請計量院參與測試。筆者認為，現(xiàn)場有3個電流傳感器制造廠的產(chǎn)品在運行，是一次了解國內(nèi)市場產(chǎn)品計量現(xiàn)況的極好機會。確認的對象是測量系統(tǒng)中0.2級100kA總電流傳感器的測量準確度。計量確認方案是采用分電流總加，經(jīng)修正測量誤差后得到總電流實際值，與100kA總電流傳感器的測量值比較，確認總電流傳感器的實際準確度。在去試點鋁廠之前，已對4臺0.1級40kA分電流傳感器和0.05級40kA工作標準的過程參數(shù)初始值進行了計量確認。2000年11月進入試點鋁廠時，該廠只有3路整流機組供電，采取的計量確認方法是將工作標準與一臺分電流傳感器安裝在I號負母線上，另兩臺分電流傳感器分別安裝在II、III號負母線上(注:同一整流機組的正負母線流過的是同一電流)；計量確認的重點是，工作標準的過程參數(shù)的初始值和兩臺分電流傳感器的測量誤差。由于下廠前已設(shè)計了一塊二次儀表面板，將工作標準和4臺分電流傳感器的二次儀表集成安裝在同一面板上，便于就近測量工作標準的過程參數(shù)初始值和分電流傳感器的測量誤差值，從而避免了工作標準在各條母線上反復裝卸，省去了大量人力和工作量，使整個計量確認過程十分快捷、簡便。將在整塊二次儀表面板上測量獲取的各個參數(shù)值，經(jīng)過修正后得到了總加電流實際值，用于比較總電流傳感器，經(jīng)過對測量誤差值簡單計算，最后確認了該廠測量系統(tǒng)總電流傳感器運行時的實際準確度為1.5級，達不到出廠時所標定的0.2級。我們已確認過的0.1級分電流傳感器，在現(xiàn)場確認為0.2級，滿足生產(chǎn)時的計量需要。安裝在正母線上其他制造廠的分電流傳感器的總加電流值也偏離總電流實際值。對比以前采用的在線校準方法，過去一天不可能完成的工作量，現(xiàn)在僅用了一個多小時便可完成計量確認，并且降低了勞動強度。直流大電流計量數(shù)據(jù)管理的優(yōu)越性十分顯著，但還是有人不理解未經(jīng)標準電流傳感器對接測差，如何隔空校準了他們的電流傳感器。
    為了驗證計量確認數(shù)據(jù)的準確性，我們請該廠鋁電解車間確認了兩個總電流值77.42kA和78.58kA，哪個值更符合生產(chǎn)工藝技術(shù)條件，他們肯定地回答是前者符合生產(chǎn)工藝技術(shù)要求。在未給出總電流確認數(shù)據(jù)前，工藝車間不清楚78.58kA是否準確，總認為外資企業(yè)產(chǎn)品比國內(nèi)產(chǎn)品準確，通過提供的計量確認的實際值后，工藝車間人員才明白按外資企業(yè)計量器具的示值(正誤差)少供了1000A，影響了優(yōu)化生產(chǎn)工藝，造成電解鋁直流單耗比實際值虛高，而電流效率比實際值偏低。實際上，是由于直流大電流計量失準造成電能利用率低。河南鋁廠試點的成功，采用集中測量分電流傳感器的誤差值，積累了對測量系統(tǒng)全數(shù)據(jù)化管理的可貴經(jīng)驗，也讓大家充分認識到解決現(xiàn)場工作標準的長期運行可靠性差的問題，是體系建立及其應(yīng)用推廣的技術(shù)關(guān)鍵。
    《規(guī)范》在企業(yè)試點運行中經(jīng)多次修改，于2001年7月經(jīng)全國直流電量技術(shù)委員會審定通過，2002年12月形成JJF1087-2002《直流大電流測量過程控制計量技術(shù)規(guī)范》，由國家技術(shù)監(jiān)督局批準發(fā)布實施。在JJF1087-2002發(fā)布的第一時間里，高耗電行業(yè)有關(guān)專家評價，認為JJF1087-2002的制定與發(fā)布“具有里程碑式的意義”，“不僅為直流大電流量值溯源得以實施鋪平了道路，也為量值溯源方法推出了新途徑”。
    

硬件軟件結(jié)合  創(chuàng)新充滿自信  計量科技“體改”、“技改”有待完善

    30多年來，筆者親身經(jīng)歷了直流大電流計量從傳統(tǒng)在線校準技術(shù)路線，到采用測量數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測管理的探索，見證了著名直流大電流計量專家陳自容長期為直流大電流測量現(xiàn)代化所作的貢獻，他出于高度的事業(yè)心和強烈的使命責任感，傾力投入攻關(guān)任務(wù)，以他長期從事直流大電流傳感器研制積累的實驗室和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，在攻關(guān)硬件研制方面發(fā)揮了不可替代的重要作用。
    回顧“九五”以來與陳老并肩攻關(guān)的日子，令筆者印象十分深刻是當他接受攻關(guān)任務(wù)之初，面對攻關(guān)課題難度的壓力與挑戰(zhàn)，陳老從容面對，欣然承諾愿為攻關(guān)硬件承擔全部研制任務(wù)，給了筆者提出攻關(guān)總體思路的勇氣和信心，促成了攻關(guān)硬件和軟件研制有序順利進行。陳老為計量院直流大電流校準實驗室的建立“量身訂制”，研制了直流大電流比率標準組(由一臺0.0001級和兩臺0.001級的電流比率標準裝置構(gòu)成)和8個組合式電流母線框(1400mm?1200mm)，可以不同方式組合，提供(5～80)kA等安匝大電流，能滿足上萬至數(shù)十萬安培“測量系統(tǒng)”工作標準的校準，還可同時對工作標準和傳遞標準(或一臺分電流傳感器)進行同步校準，并提供過程參數(shù)初始值。無需新建實驗室，充分利用了32m2舊實驗室改建，用8個母線框的組合，提供了模擬現(xiàn)場強磁場參考環(huán)境，在實驗室等效現(xiàn)場強磁場環(huán)境下，對包括工作標準在內(nèi)的電流傳感器進行校準，這是校準實驗室建設(shè)的一項創(chuàng)新。
    在青鋁意想不到的是，該廠100kA直流大電流測量系統(tǒng)，其中8臺分電流傳感器中的3臺和另外1臺100kA總電流傳感器已壞，使試點工作無法啟動，是陳老不顧年老體弱，親自動手帶領(lǐng)參試人員將全部電流傳感器修復，并調(diào)整到標稱的0.2級后，才使試點工作正式啟動，保證了青鋁試點工作順利進行。
    在攻關(guān)之初，陳老意識到現(xiàn)場工作標準裝置是攻關(guān)的技術(shù)關(guān)鍵之一，提出了研制復合式直流電流比較儀(即采用霍爾式電流傳感器與磁調(diào)制式直流電流比較儀組合，構(gòu)成復合式電流傳感器)，并在現(xiàn)場試點運行中不斷改進，認為只要解決了復合式電流傳感器的長期運行的可靠性，就有望在將來成為直流大電流進行全數(shù)據(jù)化管理的主要技術(shù)設(shè)備，對直流大電流計量管理體制機制進行技術(shù)創(chuàng)新。
    令攻關(guān)課題組感到欣慰的是，2003年3月中旬，國際標準化組織修訂后的ISO10012:2003《測量管理體系 測量過程和測量設(shè)備的要求》正式發(fā)布，我們發(fā)現(xiàn)國家技術(shù)監(jiān)督局先于國際標準化組織，發(fā)布的JJF1087-2002，與ISO10012:2003完全接軌，說明課題組起草的JJF1087-2002具有前瞻性；同時也說明陳老研制的攻關(guān)硬件對JJF1087-2002的全面支持。
    當“強電在線測試裝備的改進及其應(yīng)用推廣”納入《2002年國家技術(shù)創(chuàng)新計劃》項目之一后，陳老與筆者更加自信，對直流大電流在線測試進行技術(shù)創(chuàng)新。但終因現(xiàn)實計量科技管理體制不完善，使強電在線測試裝備失去了技術(shù)創(chuàng)新的機會。陳老為此深感遺憾和失落，筆者也身同感受。在他于2011年年初病重彌留之際，還惦念著國家技術(shù)創(chuàng)新項目，并低聲細語:“計量院，計量院”。強電在線測試裝備的改進與創(chuàng)新，不僅是陳老與筆者共同執(zhí)著的追求與實踐，還受到國家和行業(yè)的關(guān)注。國務(wù)院【國發(fā)(2008)23號】要求，“組織開展對主要耗電耗油設(shè)備和工藝系統(tǒng)的檢測，2009年年底前要完成所有用電單位電平衡測試，并實施用電實時在線監(jiān)測，對高耗電能單位要及時采取改進措施?！庇猩饘?、化工氯堿行業(yè)有關(guān)專家也長期關(guān)注攻關(guān)課題的進展，“你們應(yīng)該繼續(xù)干下去，企業(yè)的問題還沒有解決”，但事與愿違。2010年筆者與陳老通話時，感受到他的失落和痛苦，筆者曾勸他:“體制上的問題我們解決不了，何況屬于人們傳統(tǒng)計量觀念和價值觀的問題，不是在短時間內(nèi)可以改變的，需要時間和實踐?！笨墒顷惱媳M力了，帶著深深的遺憾走了。我們要告慰陳老，計量院于2010年年底成功研制了最高計量學特性直流電流比例標準裝置及其自校準技術(shù)，為直流大電流量值溯源與統(tǒng)一提供了技術(shù)支持。
    謹以此文獻給著名直流大電流計量專家陳自容。
    

鏈接

    陳自容(1925.12.5～2011.2.23)，共產(chǎn)黨員，教授級高級工程師，建國前參加了南下工作團，是我國最早從事直流大電流測量和直流電流比率標準裝置研制的主要專家之一。離休后，自動化所保留了他所領(lǐng)導的電流傳感器研究室，他深入科研生產(chǎn)第一線，為高耗電企業(yè)研制直流大電流測量裝置、為電流傳感器廠研制直流電流比率標準，還為高能物理所研制了電子對撞機中電磁鐵的高精度直流電源，為直流大電流測量現(xiàn)代化事業(yè)作出了積極貢獻。
    

 80kA直流電流校準系統(tǒng)等安匝電流母線框
    

試驗電流控制臺