强功率直流电流(又称“直流大电流或强直流电”)准确计量，在采用电解法工艺生产有色金属和氯碱等电解产品的高耗电行业中占有重要地位，是准确量化电解产品电耗经济指标和节电的技术基础。企业采用高电压、大容量电力整流设备，将强功率交流电能转换成直流电能(统称“强电”，数兆瓦至数百兆瓦量级)，由直流大电流(数千至数十万安培量级)分解含有色金属的电解质，生成有色金属原材料(铝、铜、铅、锌等)，或以电解食盐为基础生成氯碱等化工产品。然而，基于电磁转换测量原理的直流大电流测量设备(又称“电流传感器”)，在生产现场的强磁场环境下，对直流大电流准确测量有相当难度，企业被迫从交流用电量、电力整流设备整流效率值(非实测值)，以及整流后的直流电压推算出直流大电流的量值。这种间接计量方法十分粗放，导致电流量值及其电耗经济指标失准，影响了生产工艺的优化，以及工艺设备生产能力的发挥，最终导致企业的电能利用率和经济效益降低，严重制约了挖潜节电工作的开展。
    20世纪70年代末80年代初，经济建设中的电力供需矛盾十分突出，迫切要求高耗电行业企业节电降耗。与此同时，企业要求解决直流大电流计量难题的呼声，推动了当时国家计量、标准和电工仪器仪表部门开展强功率交、直流电工仪器仪表的研制，以及能源基础与管理标准的制定。但由于各部门基于传统计量理念，又对高耗电企业生产现场的特殊性缺乏感性认识，所取得的计量和标准化研究成果，不能满足推进企业生产管理技术进步和节电的需要。
    为此，20世纪80年代后期，在国家技术监督局科技司的主持下，根据钱学森先生提出的系统工程管理计量理念，打破强电计量科研成果部门管理的局限，将分散的强电计量研究力量和成果资源进行技术集成，由10个单位的跨行业专家组成大课题组，以企业生产基于直流大电流测量的电耗技术经济指标(包括电流效率、直流单耗、整流设备的整流效率和电能利用率等综合量)，作为高耗电企业的一项系统测试工程的测量对象，推动强电电耗综合量技术经济指标在线测量取得了突破性进展。所取得的计量科技成果，被纳入“八五”期间《国家重点科技成果推广计划》项目之一，并且通过课题组在生产现场测试应用研究，总结出一整套《强功率交、直流电能在线综合测试技术》(简称《强电在线测试技术》)成果，包括《交流电能(电功率)测量综合误差的测试计算及改进技术》、《强直流测量设备在线测试校准技术》和《电力整流设备运行效率在线测量技术》。该项强电综合量计量成果，解决了多年困扰高耗电行业电耗技术经济指标无法准确计量的难题，对推进高耗电行业生产管理技术进步、节电降耗、转变经济增长方式有显著的技术经济价值。然而，建立在传统计量管理方式基础上的《强电在线测试技术》，尤其是直流大电流比率值采用在线校准的量传方式溯源，由于标准设备笨重、测量效率低、测量规模、劳动强度大，且有安全风险，高耗电企业不易掌握。
    

探索强直流电计量检测体系  变企业被动计量为自主计量

    进入“九五”，《强电在线测试技术》成果被国家计委、国家科委和国家经贸委推荐为《“九五”期间重点推广节能科技成果》之一，国家技术监督局在制定“九五”事业发展规划时提出了将单纯量值传递转变为量传与溯源相结合；从计量器具管理转变为与计量数据管理相结合；中国计量科学研究院(以下简称“计量院”)承担了《国家“九五”节能新技术开发计划》中的《强直流电测试技术》攻关专题研究任务。在此背景下，笔者认为借助国家主管部门重视和计量院的科研平台，通过攻关推动直流大电流测量技术更新，是一次难得的机遇。笔者提出直流大电流计量技术改进，应作为一项系统工程通过技术攻关加以解决的思路，并促成计量院、北京工业自动化研究所(简称“自动化所”)和青铜峡铝厂(以下简称“青铝”)三方组成了攻关课题组。
    为改变直流大电流计量依靠传统量传技术路线和成果推广难的现状，根据ISO10012-1《计量配备管理工作》和ISO10012-2《测量设备的质量保证要求》中的测量设备的计量确认体系和测量过程控制指南的要求，笔者提出了学习、借鉴和改造美国标准技术研究院(NIST，即美国原标准局NBS)的《计量保证方案》(Measurement Assurance Programs, MAP)中的量传与溯源原理，将其简化后使之适合所要探索的直流大电流计量检测体系(以下简称“体系”)，即将典型MAP原理中的标准实验室与参加实验室之间的量传(溯源)关系，改造成由主持直流大电流测量质量控制校准实验室(以下简称“校准实验室”)，与企业直流大电流测量系统之间的量传与溯源关系；此外，还必须改变以往直流大电流测量系统不设电流比率标准装置(以下简称“工作标准”)的传统，为企业每个测量系统配备一台工作标准。
    体系设计方案的运作程序是:工作标准与传递标准在校准实验室经同步校准确认二者的准确度等级，再同时测量二者的某一个电流值，用二者测量电流的差值，将其定义为工作标准过程控制参数(以下简称“过程参数”)初始值。到了企业现场后，再用二者曾测量过的同一电流值，复现过程参数初始值，若初始值仍不变，便确认工作标准在现场具有溯源性。传递标准返回到校准实验室后，测量其准确度，若准确度仍不变，则验证了传递标准从校准实验室到现场，再由现场回到校准实验室这一闭合过程，体系测量的数据参数是稳定的，建立起相关参数的数据库。企业采用自己确认过的工作标准对直流大电流测量系统的分电流传感器逐一校准后，建立起总加测量系统。该系统的测量综合误差由分电流传感器测量误差的加权平均值决定，它必然小于分电流传感器的最大误差值，而且可以修正。修正总加测量系统的测量综合误差后，便确定了测量系统的总电流的实际值，再用此实际值作参考，与总电流传感器的测量值进行比较，便可确认总电流传感器的测量误差(可确认是否合格)。将总加测量系统的电流实际值与总电流传感器二者测量的差值，定义为直流大电流测量系统的运行过程参数。监测此参数在总电流传感器控制限值(最大允许误差值)之内，从而可对测量系统的测量质量进行实时监控。工作标准测量质量的控制是，由工作标准与总加测量系统中的一台分电流传感器在同一电流母线上运行，将二者在同一电流下的测量差值，定义为工作标准的运行过程参数，监测此参数在分电流传感器的最大允许误差限值之内，即可对工作标准的测量质量进行实时监控。
    这一新设计的测量质量控制体系是建立在直流大电流测量系统工作标准过程参数初始值及其运行过程参数，以及整个测量系统运行过程参数值监测基础上的。企业掌握直流大电流测量设备的计量特性数据参数，自行开展包括工作标准在内的电流传感器的在线计量确认、核查和量值的溯源，既满足了生产管理计量的需求，又节省了在线校准的生产检测成本，从而将直流大电流传统量传在线校准技术路线，转变为现代数据化管理的在线监测技术路线。
    体系采取的技术路线和运行设计方案确定后，必须有相应的硬件和软件支持，还要经企业生产试点运行，验证体系运行的可行性和可操作性，这是一项大的工业计量管理体系建设工程，难度和工作量极大。
    体系软件研究是在硬件研制支持的同时，在青铝试点运行基础上起草、编写《直流大电流测量过程控制计量技术规范》(以下简称《规范》)。《规范》有很强的针对性，就是要改变20多年来高耗电行业直流大电流量值混乱的局面，包括理顺有关直流大电流测量名词术语定义概念和电流传感器现场没有工作标准所引起的混乱，以及电流传感器市场无序竞争所形成的计量误区。
    1998年年底，在完成校准实验室主要标准设备和现场工作标准的研制后，进入青铝试点运行，课题组和企业现场工作人员按《测试大纲》测得了全部数据参数。令人欣喜的是企业技术人员很快学会并掌握了运用测量数据，自主对直流大电流测量系统电流传感器进行计量确认和运行过程测量质量的控制。半年后，再用传递标准对青铝测量系统的测量质量进行核查，核查结果证实了现场工作标准测量质量是可控的。与此同时，也证实企业以往不设工作标准和无可遵循的《规范》，是直流大电流量值混乱和电能利用率低的技术关键所在。青铝自从采用科学的计量数据指导供电，优化了生产工艺，使吨铝直流电耗降低了148kW?h，吨铝综合交流电耗比上年降低了159kW?h，全年节电8281775kW?h，折合人民币250万元。
    2000年3月，国家重点科技攻关计划专题《强直流电测试技术》由科技部组织了验收，该项成果提高了试点企业自主计量的技术能力和电能利用率，推动了强电计量成果向生产力转化。
    

探索强直流电全数据化管理  创新节电现代测量技术基础

    在青铝的成功试点，充实了《规范》的技术内容，加快了研究起草的步伐，与此同时，青铝提出在线监测技术仍保留了分电流传感器的在线校准，还是感到现场操作费时、费劲，希望在线监测技术再便捷一些。这一意见促使课题组思考进一步简化分电流传感器的测量数据计量管理。
    进入21世纪初，中国有色金属工业技术开发交流中心牵头，对河南某铝厂新建的110kV直降整流机组的直流大电流测量系统(由四路分电流并联组成)进行计量确认，邀请计量院参与测试。笔者认为，现场有3个电流传感器制造厂的产品在运行，是一次了解国内市场产品计量现况的极好机会。确认的对象是测量系统中0.2级100kA总电流传感器的测量准确度。计量确认方案是采用分电流总加，经修正测量误差后得到总电流实际值，与100kA总电流传感器的测量值比较，确认总电流传感器的实际准确度。在去试点铝厂之前，已对4台0.1级40kA分电流传感器和0.05级40kA工作标准的过程参数初始值进行了计量确认。2000年11月进入试点铝厂时，该厂只有3路整流机组供电，采取的计量确认方法是将工作标准与一台分电流传感器安装在I号负母线上，另两台分电流传感器分别安装在II、III号负母线上(注:同一整流机组的正负母线流过的是同一电流)；计量确认的重点是，工作标准的过程参数的初始值和两台分电流传感器的测量误差。由于下厂前已设计了一块二次仪表面板，将工作标准和4台分电流传感器的二次仪表集成安装在同一面板上，便于就近测量工作标准的过程参数初始值和分电流传感器的测量误差值，从而避免了工作标准在各条母线上反复装卸，省去了大量人力和工作量，使整个计量确认过程十分快捷、简便。将在整块二次仪表面板上测量获取的各个参数值，经过修正后得到了总加电流实际值，用于比较总电流传感器，经过对测量误差值简单计算，最后确认了该厂测量系统总电流传感器运行时的实际准确度为1.5级，达不到出厂时所标定的0.2级。我们已确认过的0.1级分电流传感器，在现场确认为0.2级，满足生产时的计量需要。安装在正母线上其他制造厂的分电流传感器的总加电流值也偏离总电流实际值。对比以前采用的在线校准方法，过去一天不可能完成的工作量，现在仅用了一个多小时便可完成计量确认，并且降低了劳动强度。直流大电流计量数据管理的优越性十分显著，但还是有人不理解未经标准电流传感器对接测差，如何隔空校准了他们的电流传感器。
    为了验证计量确认数据的准确性，我们请该厂铝电解车间确认了两个总电流值77.42kA和78.58kA，哪个值更符合生产工艺技术条件，他们肯定地回答是前者符合生产工艺技术要求。在未给出总电流确认数据前，工艺车间不清楚78.58kA是否准确，总认为外资企业产品比国内产品准确，通过提供的计量确认的实际值后，工艺车间人员才明白按外资企业计量器具的示值(正误差)少供了1000A，影响了优化生产工艺，造成电解铝直流单耗比实际值虚高，而电流效率比实际值偏低。实际上，是由于直流大电流计量失准造成电能利用率低。河南铝厂试点的成功，采用集中测量分电流传感器的误差值，积累了对测量系统全数据化管理的可贵经验，也让大家充分认识到解决现场工作标准的长期运行可靠性差的问题，是体系建立及其应用推广的技术关键。
    《规范》在企业试点运行中经多次修改，于2001年7月经全国直流电量技术委员会审定通过，2002年12月形成JJF1087-2002《直流大电流测量过程控制计量技术规范》，由国家技术监督局批准发布实施。在JJF1087-2002发布的第一时间里，高耗电行业有关专家评价，认为JJF1087-2002的制定与发布“具有里程碑式的意义”，“不仅为直流大电流量值溯源得以实施铺平了道路，也为量值溯源方法推出了新途径”。
    

硬件软件结合  创新充满自信  计量科技“体改”、“技改”有待完善

    30多年来，笔者亲身经历了直流大电流计量从传统在线校准技术路线，到采用测量数据进行在线监测管理的探索，见证了著名直流大电流计量专家陈自容长期为直流大电流测量现代化所作的贡献，他出于高度的事业心和强烈的使命责任感，倾力投入攻关任务，以他长期从事直流大电流传感器研制积累的实验室和现场实践经验，在攻关硬件研制方面发挥了不可替代的重要作用。
    回顾“九五”以来与陈老并肩攻关的日子，令笔者印象十分深刻是当他接受攻关任务之初，面对攻关课题难度的压力与挑战，陈老从容面对，欣然承诺愿为攻关硬件承担全部研制任务，给了笔者提出攻关总体思路的勇气和信心，促成了攻关硬件和软件研制有序顺利进行。陈老为计量院直流大电流校准实验室的建立“量身订制”，研制了直流大电流比率标准组(由一台0.0001级和两台0.001级的电流比率标准装置构成)和8个组合式电流母线框(1400mm?1200mm)，可以不同方式组合，提供(5～80)kA等安匝大电流，能满足上万至数十万安培“测量系统”工作标准的校准，还可同时对工作标准和传递标准(或一台分电流传感器)进行同步校准，并提供过程参数初始值。无需新建实验室，充分利用了32m2旧实验室改建，用8个母线框的组合，提供了模拟现场强磁场参考环境，在实验室等效现场强磁场环境下，对包括工作标准在内的电流传感器进行校准，这是校准实验室建设的一项创新。
    在青铝意想不到的是，该厂100kA直流大电流测量系统，其中8台分电流传感器中的3台和另外1台100kA总电流传感器已坏，使试点工作无法启动，是陈老不顾年老体弱，亲自动手带领参试人员将全部电流传感器修复，并调整到标称的0.2级后，才使试点工作正式启动，保证了青铝试点工作顺利进行。
    在攻关之初，陈老意识到现场工作标准装置是攻关的技术关键之一，提出了研制复合式直流电流比较仪(即采用霍尔式电流传感器与磁调制式直流电流比较仪组合，构成复合式电流传感器)，并在现场试点运行中不断改进，认为只要解决了复合式电流传感器的长期运行的可靠性，就有望在将来成为直流大电流进行全数据化管理的主要技术设备，对直流大电流计量管理体制机制进行技术创新。
    令攻关课题组感到欣慰的是，2003年3月中旬，国际标准化组织修订后的ISO10012:2003《测量管理体系 测量过程和测量设备的要求》正式发布，我们发现国家技术监督局先于国际标准化组织，发布的JJF1087-2002，与ISO10012:2003完全接轨，说明课题组起草的JJF1087-2002具有前瞻性；同时也说明陈老研制的攻关硬件对JJF1087-2002的全面支持。
    当“强电在线测试装备的改进及其应用推广”纳入《2002年国家技术创新计划》项目之一后，陈老与笔者更加自信，对直流大电流在线测试进行技术创新。但终因现实计量科技管理体制不完善，使强电在线测试装备失去了技术创新的机会。陈老为此深感遗憾和失落，笔者也身同感受。在他于2011年年初病重弥留之际，还惦念着国家技术创新项目，并低声细语:“计量院，计量院”。强电在线测试装备的改进与创新，不仅是陈老与笔者共同执着的追求与实践，还受到国家和行业的关注。国务院【国发(2008)23号】要求，“组织开展对主要耗电耗油设备和工艺系统的检测，2009年年底前要完成所有用电单位电平衡测试，并实施用电实时在线监测，对高耗电能单位要及时采取改进措施。”有色金属、化工氯碱行业有关专家也长期关注攻关课题的进展，“你们应该继续干下去，企业的问题还没有解决”，但事与愿违。2010年笔者与陈老通话时，感受到他的失落和痛苦，笔者曾劝他:“体制上的问题我们解决不了，何况属于人们传统计量观念和价值观的问题，不是在短时间内可以改变的，需要时间和实践。”可是陈老尽力了，带着深深的遗憾走了。我们要告慰陈老，计量院于2010年年底成功研制了最高计量学特性直流电流比例标准装置及其自校准技术，为直流大电流量值溯源与统一提供了技术支持。
    谨以此文献给著名直流大电流计量专家陈自容。
    

链接

    陈自容(1925.12.5～2011.2.23)，共产党员，教授级高级工程师，建国前参加了南下工作团，是我国最早从事直流大电流测量和直流电流比率标准装置研制的主要专家之一。离休后，自动化所保留了他所领导的电流传感器研究室，他深入科研生产第一线，为高耗电企业研制直流大电流测量装置、为电流传感器厂研制直流电流比率标准，还为高能物理所研制了电子对撞机中电磁铁的高精度直流电源，为直流大电流测量现代化事业作出了积极贡献。
    

 80kA直流电流校准系统等安匝电流母线框
    

试验电流控制台