低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)*

張杰梁 陳愛玲 王榕模 林 勇

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福帥 350003）

0 引言

變電站高壓電能計(jì)量裝置中的電壓互感器，其計(jì)量性能關(guān)系到發(fā)電、送電以及供電三方的利益。為了保證計(jì)量準(zhǔn)確，必須按照國家計(jì)量檢定規(guī)程對電壓互感器等進(jìn)行檢定。我國在上世紀(jì)80 年代已開展對高電壓互感器現(xiàn)場檢定技術(shù)的研究，目前電壓互感器普遍采用的檢定方法是基于基爾霍夫電壓定律，采用差壓法獲取被檢電壓互感器的誤差。但采用該方法檢定時(shí)，若一次電壓超過110kV，調(diào)壓裝置、升壓設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器等設(shè)備就會隨著耐壓等級的提高，體積重量成倍增加。因此，造成現(xiàn)場檢定工作相當(dāng)困難，特別是在GIS 電壓互感器檢定現(xiàn)場，由于試品安裝在很高的套筒內(nèi)，隨一次回路的增加就需要更大容量的調(diào)壓和升壓設(shè)備以及操作電源，在現(xiàn)場條件下，往往無法完成檢定。此外，在變電站施工現(xiàn)場，傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備在運(yùn)輸過程中容易損壞且勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]。

關(guān)于電壓互感器現(xiàn)場檢定裝置，主要有文獻(xiàn)[2]提出的“低校高”法和文獻(xiàn)[3]提出的“負(fù)荷誤差曲線外推法”?？紤]到低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀已廣泛應(yīng)用于變電站、發(fā)電廠電壓互感器檢定現(xiàn)場，且國家尚未針對該類儀器制定相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范，故有必要對其校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)進(jìn)行研究以確保其量值的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。

1 現(xiàn)場校驗(yàn)儀的原理

低校高法其實(shí)質(zhì)是測出被檢電磁式電壓互感器的一次與二次繞組的電阻和漏抗、各電壓百分值下的激磁導(dǎo)納值、低電壓下的誤差值以及實(shí)際二次負(fù)荷導(dǎo)納值，用計(jì)算方法得到高電壓下的誤差值[4]。

由電磁式電壓互感器的T型等效電路（見圖1）可知，激磁電流和負(fù)荷電流在這內(nèi)阻抗上產(chǎn)生電壓降，分別形成了電壓互感器的空載誤差和負(fù)載誤差，即電磁式電壓互感器的誤差可表示為：

圖1 電壓互感器T型等效電路

式中，為空載電流，為負(fù)載電流，Z1為一次線圈內(nèi)阻抗，Z2為二次線圈內(nèi)阻抗，Y0和Y分別為激磁和負(fù)載導(dǎo)納?？紤]到一次線圈每匝的阻抗或?qū)娱g的分布電容不可能相等，此時(shí)由泄漏電流在一次線圈中所產(chǎn)生的泄漏電流誤差不能忽略，故電壓互感器的誤差公式應(yīng)表示為：

式中，線圈的阻抗Z1、Z2和ZD都是常數(shù)，因此和均是常數(shù)。由于電磁式電壓互感器鐵心的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，因而Y0也不是常數(shù)，隨電壓即隨鐵心磁導(dǎo)率的變化而變化。由此可見，如果能夠測算出不同電壓下的Y0Z1，那么就可以利用低壓電壓互感器測出高壓互感器在低壓下的誤差，并由不同電壓下空載誤差之差△Y0Z1，推算出在高壓下互感器的誤差。

2 現(xiàn)場校驗(yàn)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 校準(zhǔn)方法的提出與探討

作為計(jì)量器具，應(yīng)采用有效的手段確保低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀量值的溯源性。關(guān)于該類儀器的校準(zhǔn)，目前，國內(nèi)普遍采用間接比對的方式來完成。具體做法是先分別采用傳統(tǒng)的電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)裝置和低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀對一特定的PT（即比較樣品）進(jìn)行校準(zhǔn)，取二者之差作為測量結(jié)果。但實(shí)際上，由于比對樣品準(zhǔn)確度等級、補(bǔ)償類型、穩(wěn)定性和實(shí)際負(fù)荷等的不同，不同實(shí)驗(yàn)室對同一臺低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)結(jié)果難以實(shí)現(xiàn)一致性。表1 給出了采用不同比對樣品′ 校準(zhǔn)結(jié)果，兩只樣品經(jīng)過考核均具備較好的短期穩(wěn)定性，樣品1 為0.2 級電壓互感器，樣品2 為0.5 級電壓互感器，兩只樣品的量限均為10000V/100V。由表1 可知，比對樣品不同，其校準(zhǔn)結(jié)果亦不相同，采用間接比對法難以實(shí)現(xiàn)不同校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室間量值的一致性。

關(guān)于低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)方法，文獻(xiàn)[5]、[6]提出了在分部件校準(zhǔn)后采用特殊變比標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行整體檢定的方法，但實(shí)際上這些特殊變比（如550V/9.1667V）的電壓互感器，其量值溯源性難以保證。

表1 間接比對法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

鑒于以上兩種校準(zhǔn)方法存在的問題，本文推薦采用“標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器法”，采用該方法時(shí)，應(yīng)確保裝置中的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器非雙級結(jié)構(gòu)或采用特殊補(bǔ)償，且具備較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和帶載能力，以克服接線等帶來的影響。采用“標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器法”的具體步驟如下：

1）采用互感器校驗(yàn)儀整體檢定裝置對低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀內(nèi)附互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)確保其準(zhǔn)確度達(dá)到2 級；

2）采用0.01 級標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器對低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀（準(zhǔn)確度為0.05 級）進(jìn)行校準(zhǔn)，應(yīng)確保其準(zhǔn)確度達(dá)到0.05 級；

3）選擇短期穩(wěn)定較好且二次負(fù)荷較大的電壓互感器作為比對樣品，分別采用傳統(tǒng)差壓裝置和低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀在不同二次負(fù)荷下進(jìn)行比對，比對結(jié)果應(yīng)符合式（3）和式（4）要求。

式中，fmax和δmax分別為不同負(fù)荷下低校高式校驗(yàn)儀與傳統(tǒng)差壓裝置的比值差差值和相位差差值的最大值，fmin和δmin分別為不同負(fù)荷下低校高式校驗(yàn)儀與傳統(tǒng)差壓裝置的比值差差值和相位差相位差差值的最小值，f和δ為電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的誤差限值。

2.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖2 給出了采用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、自動(dòng)切換裝置以及相應(yīng)的上位機(jī)軟件構(gòu)成電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)。圖中，標(biāo)準(zhǔn)器由0.01 級標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器構(gòu)成，自動(dòng)切換裝置用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)器一次繞組和二次繞組檔位的切換。被校電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過顯示屏顯示或通過RS232-USB接口在上位機(jī)顯示。為了便于對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的分析，校準(zhǔn)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，圖3 為上位機(jī)操作界面?；谝陨闲?zhǔn)系統(tǒng)的測量結(jié)果如表2 所示。表2 給出了兩種不同型號電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀10000V/100V′ 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，值得一提的是，雖然兩臺校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)均符合0.05 級誤差限值要求，但應(yīng)按2.1 步驟3 完成不同負(fù)荷下的比對驗(yàn)證后，才能對被校低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的整體計(jì)量性能進(jìn)行符合性判定。

圖2 低校高法校驗(yàn)儀校準(zhǔn)接線圖

圖3 操作界面

表2 量程為10000V/100V時(shí)的校準(zhǔn)結(jié)果

3 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度來源主要有：測量值不重復(fù)引人的不確定度；校準(zhǔn)裝置引人的不確定度；負(fù)載響應(yīng)能力引人的不確定度以及電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀誤差修約引人的不確定度等。限于篇幅，本文僅對10000V/100V檔、100%額定電壓時(shí)的比值差測量結(jié)果的進(jìn)行不確定度評定。

電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀比值差的數(shù)學(xué)模型為：

式中，fx為被校電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀比值差；f0為被校電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀比值差顯示值；f1為測量不重復(fù)引人的誤差；f2為電源不穩(wěn)定性引人的誤差；f3為負(fù)載響應(yīng)能力引人的誤差；f4為數(shù)據(jù)修約引人的誤差。

1）測量不重復(fù)引人的不確定度分析：用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，在10000V/100V檔、100%額定電壓點(diǎn)時(shí)，在重復(fù)條件下進(jìn)行10 次獨(dú)立測量得到測量列（每次測量均重新接線），見表3。

表3 重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

引人的不確定度為：

2）校準(zhǔn)裝置引人的不確定度分析：校準(zhǔn)裝置引人的誤差不大于被校電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀基本誤差限值的1/5，引人的不確定度按均勻分布估計(jì)為：

3）電源不穩(wěn)定引人的不確定度分析：電源的實(shí)際頻率與50Hz偏離的數(shù)值不大于0.05Hz，相對誤差為0.1%，對于0.05 級電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀，會帶來1/10 的影響。引人的不確定度按均勻分布估計(jì)為：

4）負(fù)載響應(yīng)能力引人的不確定度分析：當(dāng)負(fù)載響應(yīng)時(shí)電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀輸出信號的變化根據(jù)實(shí)際情況的合理性，確定為1/10，按正態(tài)分布估計(jì)為：

5）數(shù)據(jù)修約引人的不確定度分析：0.05 級電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀比值差的修約間隔為0.005%，分散區(qū)間的半寬為0.0025%，誤差修約引人的不確定度按均勻分布估計(jì)為：

將以上各不確定度分量進(jìn)行合成，各不確定分量不相關(guān)，各靈敏度系數(shù)為1，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

擴(kuò)展不確定度為：

電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀100%額定電壓時(shí)比值差最大允許誤差為0.05%，故校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U＝0.015%可滿足校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)間接比對法校準(zhǔn)存在比對樣品的合理選擇問題，因選擇的比對樣品不同，其校準(zhǔn)結(jié)果也不同，影響不同實(shí)驗(yàn)室間校準(zhǔn)結(jié)果的一致性和可比性；文獻(xiàn)[6]所提出的溯源方法從理論上是可行的，但基于特殊變比的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其溯源難以保證；本文所提出的“標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器法”對于省級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)較為容易實(shí)現(xiàn)，但采用該方法時(shí)，應(yīng)確保裝置中的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器非雙級結(jié)構(gòu)或采用特殊補(bǔ)償，且具備較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和帶載能力，以克服接線等帶來的影響。

采用“標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器法”容易實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)室間量值的一致性和可比性，但要對低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀進(jìn)行符合性判定，還應(yīng)確保被校內(nèi)附互感器校驗(yàn)儀準(zhǔn)確度達(dá)到2 級；在不同負(fù)荷下的誤差數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)差壓法的比對結(jié)果符合式（3）和式（4）要求。唯有如此，低校高式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀才能用于電壓互感器的檢定。

基于“標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器法”的不確定度分析結(jié)果表明，所構(gòu)建電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀校準(zhǔn)系統(tǒng)可用于開展電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)工作。