强功率直流电流(又称（chēng）“直流大电流或强直流电”)准确计量，在采用（yòng）电解法工艺生产有色金属（shǔ）和氯碱等电解产品的高耗电（diàn）行（háng）业中占有重要地位（wèi），是准确（què）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（diàn）压、大容量电力整流设备，将强功率交流电能（néng）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（wàn）安培（péi）量级)分解含有色金属的电解质，生成有色金属（shǔ）原材料(铝、铜、铅、锌（xīn）等)，或以电解食盐为（wéi）基础生成氯碱等化工产品。然而，基（jī）于电磁转换测量原理的直流大电（diàn）流测量设备(又称“电流传感器”)，在生产现场的强磁（cí）场环（huán）境下，对直流（liú）大电（diàn）流准（zhǔn）确测量有相（xiàng）当难度，企业被迫从（cóng）交（jiāo）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（dà）电流的量（liàng）值。这种间接计（jì）量方法十分粗放，导致电流量（liàng）值及其电耗经济（jì）指标失准，影响了生产（chǎn）工艺的优化，以及工艺设备生产（chǎn）能力的发挥，最终导致企业的电能利用（yòng）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（dài）末80年代初，经济建设中的（de）电力供需矛盾（dùn）十分突出，迫切要求高耗电行业企业节电降耗。与此（cǐ）同时，企业要求解决直流大电流计量难题的呼声，推（tuī）动了当时国家计量、标准和电工仪器仪表部门开展强（qiáng）功率交、直流电工仪器仪表的研制，以及能源基础与管理（lǐ）标准的（de）制定。但（dàn）由于各部（bù）门基于传统计量理念，又对高耗电企业生（shēng）产现场（chǎng）的特殊性（xìng）缺乏感性（xìng）认识，所取得的计量（liàng）和标准化研究成果，不能满足推进企（qǐ）业生产管理技（jì）术进步和节电的需要。
    为此（cǐ），20世纪80年代后期，在国家技术监督局科技司的（de）主持下，根据钱学（xué）森先生提出的系统工程管（guǎn）理计量理（lǐ）念，打破强电计量（liàng）科研成果部门管理的局限，将分散的强电（diàn）计量研究力量和成果（guǒ）资源进行技术集成，由10个单位的跨（kuà）行业专家组（zǔ）成大课题组，以（yǐ）企业生产基（jī）于直流大（dà）电流测量的电耗（hào）技术经济指（zhǐ）标(包括电流效率、直流单耗、整流（liú）设备的整流效率和（hé）电能利用率等综合量)，作为（wéi）高耗电企业的一项系统（tǒng）测试工程的测量对象，推动强电电耗综合量技（jì）术经（jīng）济（jì）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（bèi）纳入“八五（wǔ）”期间《国家重点科技成果推广计划》项目之一，并且通过课（kè）题组在生产现场测试应用研究，总结（jié）出一整套《强功率交、直流电能在（zài）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（de）测试计算及改进技术》、《强直流测量设（shè）备在线测试校（xiào）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（shù）经济指标（biāo）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（fāng）式有显著的技术经济（jì）价（jià）值。然而，建立在传统（tǒng）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（fāng）式溯（sù）源，由于标准设备笨重、测量效率低、测量规模（mó）、劳动强度大，且有安全风险，高耗电企业不（bú）易掌（zhǎng）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（jiā）计委、国家科委和国家经贸委推荐（jiàn）为《“九五（wǔ）”期间重点推广（guǎng）节能科技成果》之一，国家技术监督局在制定“九五”事业发展（zhǎn）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（qì）具管理转（zhuǎn）变为与计量数据管理相结合；中国计量科（kē）学研究（jiū）院(以下简称“计量院”)承担了《国家“九五”节能新技术（shù）开发计划》中的《强直流电测试技术》攻关（guān）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（tái），通过攻关（guān）推动直流大电流测量技术（shù）更新，是一次难得的机遇。笔者提出直流大（dà）电流计量技术改进，应作为一项系统工程通过（guò）技术攻关（guān）加以解决的思路，并促成（chéng）计量（liàng）院、北京（jīng）工业自动化研究所(简称“自动化所”)和青铜峡铝厂（chǎng）(以下简称“青铝”)三方组成了攻（gōng）关课题组。
    为改变直（zhí）流大电流计量依靠传统（tǒng）量传技术路线（xiàn）和成果推广难的现状，根据ISO10012-1《计量配（pèi）备管（guǎn）理（lǐ）工作》和ISO10012-2《测量设备的质量保证要求》中（zhōng）的测量设（shè）备的计量确认（rèn）体系和测量过程控制指南的要求，笔者提出了学习（xí）、借鉴和改造美国标准技术研究院（yuàn）(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（shì）合所要探索的直流大电流计量检测体系(以下简称“体（tǐ）系”)，即将典型MAP原理中的（de）标（biāo）准（zhǔn）实（shí）验室与参加实验室之间的量传(溯源)关系，改造成由主持直（zhí）流（liú）大电流测量质量控制校准实验室(以下简（jiǎn）称“校准实验室（shì）”)，与企业直流大电流测量系统之间的量传与溯源关系；此外（wài），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（àn）的运作（zuò）程序是:工作标准与（yǔ）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（gè）电流值，用二者测（cè）量电流的差值，将其定义为工作标准过（guò）程控制参数(以下（xià）简称“过程参数”)初始值。到了企业现场后，再用二者曾测（cè）量过的同一电流值，复现过程参数（shù）初始值，若初始（shǐ）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（què）度（dù）仍不变，则验证了传递标准从校准（zhǔn）实验室到现场，再由（yóu）现场回到校准实验室这一闭合过（guò）程，体（tǐ）系测量的数据（jù）参数是稳定的，建立起相关参数（shù）的数据库。企业采用自己确（què）认过的工作标准对直（zhí）流大电流测量系统的分电（diàn）流传感器逐一（yī）校准后，建立起总加测量系统（tǒng）。该系统的测量（liàng）综合误（wù）差由分（fèn）电流传感器测量误（wù）差的加权平（píng）均值（zhí）决定，它必然小于分电流传感器的最大误（wù）差值，而且可以修正。修正总加测量系统的测量（liàng）综（zōng）合误差后，便确定了测量系统的总电流的实际值（zhí），再用此实际值作参考，与（yǔ）总电流传感（gǎn）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（què）认是否合格)。将总加测量系统的电（diàn）流实（shí）际值与总电流传感器二者测量的差值，定义（yì）为直流大电流测量系统的（de）运行过程参数。监测此参数在总电流传感器控制限值（zhí）(最大允许误差值)之内，从而（ér）可对测量系统的测（cè）量质量进行实时监控。工作标准（zhǔn）测（cè）量质量的控（kòng）制（zhì）是，由工（gōng）作标准与总（zǒng）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（yī）电流（liú）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（zuì）大允许误差限（xiàn）值之内，即（jí）可对（duì）工作标准的（de）测量（liàng）质量进行实时监控。
    这（zhè）一新设计的测量质量（liàng）控制体系是建立在直流大电流测（cè）量系统工作标准（zhǔn）过程参数初始值及其运行过程（chéng）参数，以及整个（gè）测（cè）量系统运行过程（chéng）参数值监（jiān）测基础上的（de）。企业掌握直流大电流测量设备的计量特性数据（jù）参数，自行（háng）开展包括工（gōng）作标准在内的电流传感器的在线（xiàn）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（xiào）准的生产（chǎn）检测成本，从（cóng）而将直流大电流传统量传在线（xiàn）校准技术路线，转变为现代数据（jù）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（shè）计（jì）方案确定后，必须有相应（yīng）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（tǐ）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（de）同时，在青铝试点运行基础上起（qǐ）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（guī）范》)。《规范》有很强的针对性（xìng），就是要改变20多年（nián）来高（gāo）耗电行业直流大电流量值混乱的局面，包括理顺有关直流（liú）大电流测量名词术语定义概念和电流（liú）传感器现场没有工作标准所引起的混（hún）乱，以及电流传感器市场无序竞争所形（xíng）成的计量误区。
    1998年年（nián）底，在完成校准实验室主要标准设备和现（xiàn）场工作标准的（de）研制后，进入青铝试点运行，课题组（zǔ）和企业现场工作人员按《测试大纲》测（cè）得了全（quán）部数据参数。令人欣喜的是企业技术（shù）人员很快学会并掌握了运用测量数据，自（zì）主对直流大（dà）电流测量系统（tǒng）电流传感器进行计量确认和运行过程测量质量的控（kòng）制。半年后，再用传递标准对（duì）青铝测（cè）量系统（tǒng）的测量质量进行核查，核查结果证实了现场工（gōng）作标准测量质量是可控（kòng）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（zhí）流大电流量值混乱和电能利（lì）用率低（dī）的（de）技术关键（jiàn）所在。青铝自从采用科（kē）学的计量数据指导供电，优化（huà）了生产工艺，使吨铝（lǚ）直流电耗降（jiàng）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（hé）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（zhī）了验收，该项成果提高了试点企业自主（zhǔ）计（jì）量的技（jì）术能力和电能利用率，推动了（le）强电计量成果向生产力转化。
    

探索强直流电（diàn）全数据化管理  创新节电现代测量技术基础

    在青铝的（de）成功试点，充实了《规（guī）范》的技术内容，加快了研究（jiū）起草的步伐，与此同时，青铝提出在（zài）线监测技术仍保（bǎo）留（liú）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（jì）术再便捷一些。这一（yī）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（jù）计量管理。
    进入（rù）21世纪初（chū），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（de）110kV直降整流机组的直流（liú）大（dà）电流测量系统(由四路（lù）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（gè）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（hǎo）机会。确认的对（duì）象是测量（liàng）系统中0.2级100kA总电流传感器的测量准（zhǔn）确度。计量确认方案是（shì）采用分电流（liú）总加，经修正测量误差后得到总电流实际（jì）值，与100kA总电流（liú）传感器的测量值比（bǐ）较（jiào），确认总（zǒng）电流传（chuán）感器的实际准确度。在去试点（diǎn）铝厂之前，已（yǐ）对4台0.1级40kA分电流（liú）传感器（qì）和0.05级40kA工作标准的过程参数初始值进行了计量（liàng）确认。2000年11月（yuè）进入试点铝厂时，该厂只有（yǒu）3路整流机组供（gòng）电，采取的计量确认（rèn）方法是将工作标准与一（yī）台分电流传感器安装（zhuāng）在I号负母线上，另两台分电流传感（gǎn）器分别安装在II、III号负母线上(注:同（tóng）一整流机组的正（zhèng）负母（mǔ）线流过的是同一电流)；计量确认的重点（diǎn）是，工作（zuò）标准的过程（chéng）参数（shù）的初始值和两台分电流传感器的测量误差（chà）。由于下（xià）厂前已设计了一块二次仪表面板，将工作标准和（hé）4台（tái）分电流（liú）传感器（qì）的二次仪表集成安装（zhuāng）在同（tóng）一面板上，便于就近测量工作标准的（de）过程参数初始值和（hé）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（xiè），省去了大量人力和工作量，使整个计（jì）量确认过程十分快捷、简便。将在整块二（èr）次仪（yí）表面板上测量获取的各个参数值，经过（guò）修正后得到了总加电流实际值，用于比较总电流传（chuán）感器，经过对测量误差值简单计算（suàn），最后确认了该厂（chǎng）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（chū）厂时所标定的0.2级。我们已确认过的（de）0.1级分电流传（chuán）感器，在现场确认为0.2级，满足（zú）生产（chǎn）时的计量需要。安装在正母线上其（qí）他制造厂的分电流（liú）传感（gǎn）器（qì）的总加电流值也偏离总电流（liú）实际值（zhí）。对比以前采用的在线校（xiào）准方法，过去一天不可能（néng）完成的工作量，现在仅用（yòng）了一个多小时便可完成计（jì）量确认，并且降低了劳动（dòng）强度。直（zhí）流大电（diàn）流计量数据管理的优越性（xìng）十分显（xiǎn）著，但还是有人（rén）不理解未经标准电流（liú）传感器对接测差，如何隔空校准了他们的电流传感（gǎn）器。
    为（wéi）了验证计量（liàng）确认数据的准确性，我们请该厂（chǎng）铝（lǚ）电解车间确认（rèn）了两个（gè）总电流值77.42kA和78.58kA，哪（nǎ）个值更符合（hé）生产工艺技术条件，他们肯定地回（huí）答是前者符合生产工艺技术要（yào）求（qiú）。在未给出总电流确认数据前，工（gōng）艺车间不清楚78.58kA是否准确，总认（rèn）为外资企业（yè）产（chǎn）品比（bǐ）国（guó）内产品准（zhǔn）确，通（tōng）过提（tí）供的计量确认的（de）实际值后，工艺车间（jiān）人员才明白按外资企业计量器具的示（shì）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（bǐ）实际值虚高，而（ér）电流效率比实际值偏低。实际上，是由（yóu）于直流大电流（liú）计量失准造成电能利用率低（dī）。河南铝厂试点的成功（gōng），采用集中测量分电流传感器的误差值（zhí），积累了对测量系统全数据化管理的（de）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（tǐ）系（xì）建立及其应用推广的技术关（guān）键。
    《规范》在企（qǐ）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（tōng）过，2002年12月形成JJF1087-2002《直流大电流测量过程控制（zhì）计量技术规范》，由国家（jiā）技术监督局批准（zhǔn）发布实施。在JJF1087-2002发布的第一（yī）时间里（lǐ），高耗电行业有关专（zhuān）家（jiā）评价，认为JJF1087-2002的制定与发布“具有里程碑式的意义”，“不仅（jǐn）为直流大电流量（liàng）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（chuàng）新充满自信  计量（liàng）科技“体改（gǎi）”、“技改”有待完善

    30多年来，笔者亲身经历了直流大电（diàn）流计量从传统在线校准技术路线（xiàn），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（zì）容长期为直流大电流（liú）测量现代化所作（zuò）的贡献，他（tā）出（chū）于高度的（de）事（shì）业心和强烈的（de）使命责任感，倾力投入攻关（guān）任务，以他长期从事直流大电流传（chuán）感器研制（zhì）积累的实验室和现场实（shí）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（jiān）攻关的日子，令笔者印象十分深刻（kè）是当他接受攻关任务之初，面对攻关课（kè）题（tí）难度的压力与挑战，陈老从容面对（duì），欣然承诺愿为攻关（guān）硬件承担全部研制任务，给了笔者（zhě）提出（chū）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（shí）验室（shì）的（de）建立“量（liàng）身订（dìng）制”，研制了直流大电流比（bǐ）率标准组(由（yóu）一台0.0001级（jí）和两（liǎng）台0.001级（jí）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（shì）组合，提供(5～80)kA等安匝大电流，能满足（zú）上万至数十万安培“测量系统”工作标准的校准，还可（kě）同时（shí）对工作标准（zhǔn）和传递标准(或一台分（fèn）电流（liú）传感（gǎn）器)进行同步校（xiào）准，并提（tí）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（chǎng）参考环境，在实验（yàn）室等效现场强磁场环境下，对包括工作（zuò）标准在内的（de）电流传感器进行校准，这是校准实验室建（jiàn）设的一项（xiàng）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（tái）和另外1台100kA总电流传感器已坏，使试（shì）点工作无法启动，是陈老（lǎo）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（biāo）称的（de）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（zhī）初，陈（chén）老意识到现场工作（zuò）标准装（zhuāng）置是攻关的技术关键之（zhī）一，提出了（le）研制复合式直流电流比较仪(即采用霍尔式电流（liú）传感器与磁调制式直流电流比（bǐ）较仪组合（hé），构成复合式电流（liú）传感器)，并在现场（chǎng）试点运行中不断改进，认为只要解决了复合式电流传（chuán）感器的长期运行的可靠性（xìng），就有（yǒu）望在将来成为直流大电流进行全数据（jù）化管理的主要技术设备，对直流大电流计量（liàng）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（guó）际标准（zhǔn）化组织修订后的（de）ISO10012:2003《测量管理体系 测量过程和测量设备的（de）要求》正式（shì）发布，我（wǒ）们发现国家技（jì）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（qǐ）草的JJF1087-2002具有（yǒu）前（qián）瞻性；同时（shí）也说明陈老研制的攻关硬件（jiàn）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（jiā）技术创新（xīn）计划》项目之（zhī）一后，陈老与笔者更加自信，对直（zhí）流大电流在线测试（shì）进行技术创新。但（dàn）终因现实计量科技管（guǎn）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（cǐ）深感遗（yí）憾和失落，笔者也（yě）身同感受。在他于2011年年初病重弥留之际，还惦（diàn）念（niàn）着国家技术（shù）创新项目，并低声细语:“计量（liàng）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（jiàn），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（gōng）艺系统的检测，2009年年底前（qián）要完成所（suǒ）有（yǒu）用电单位电平衡测试，并实施用电实时（shí）在（zài）线（xiàn）监测，对高（gāo）耗电能单位要及时采取（qǔ）改进措施。”有色金属、化工氯碱行业有关专（zhuān）家也（yě）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（tí）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（shī）落（luò）和痛苦，笔者（zhě）曾劝他:“体制上的问题我们解决不了（le），何况属于人们传统计量（liàng）观念和价值观的问题（tí），不是在（zài）短时间内可以改变的，需要时（shí）间和实（shí）践。”可是陈老尽力了，带着深深的遗（yí）憾走（zǒu）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（zhì）及其自校准技术，为直流大电流量值溯源与（yǔ）统一提供了技术支持。
    谨以此文献给著名直（zhí）流（liú）大（dà）电流计（jì）量专家陈自容。
    

链接

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

 80kA直流（liú）电流（liú）校准系统等安匝电流母线框
    

试验电流控制台