短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)方法研究*

王晨，丁恒春，姜振宇，魯觀娜，巨漢基，李亭

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院計(jì)量中心，北京 102208；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045）

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越重要。對(duì)于電氣設(shè)備耐受瞬間大電流的能力，短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)是必不可少的檢測(cè)環(huán)節(jié)。智能電能表是智能電網(wǎng)的重要組成部分，其安全性能與用戶的利益關(guān)系密切，因此，短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)是電能表型式試驗(yàn)必檢項(xiàng)目［1-4］。

短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)是依據(jù)GB/T 17215.322-2008《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》，檢驗(yàn)電能表耐受瞬變過(guò)電流的能力，影響電能表的安全性能［5-6］。短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備是基于GB/T 17215.322-2008設(shè)計(jì)，屬于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備。GB/T 27025-2008《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》和CNAS-CL01《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備正確進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)所要求的檢測(cè)設(shè)備，并符合檢測(cè)和校準(zhǔn)相應(yīng)的規(guī)范要求［7-8］。因此，短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)滿足GB/T 17215.322-2008要求。

校準(zhǔn)短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備無(wú)可參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)大電流輸出值和持續(xù)時(shí)間是校準(zhǔn)方法的難點(diǎn)。文中通過(guò)分析短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的工作原理，并基于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、人員等因素，詳細(xì)地闡述測(cè)量不確定度評(píng)定方法，再將校準(zhǔn)結(jié)果與電能表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求比對(duì)，保證短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)結(jié)論的一致性。

1 短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的工作原理

短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備接入工作電源后，采用升流器原理，通過(guò)調(diào)整自耦變壓器輸出電壓以獲得試驗(yàn)所需的過(guò)電流。試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of short time over current experiment equipment

2 短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)方法

短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備依據(jù)GB/T 17215.322-2008《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求 第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)本試驗(yàn)設(shè)備采用電流探頭將試驗(yàn)設(shè)備輸出的電流傳送至數(shù)字示波器，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備輸出的電流和持續(xù)時(shí)間。因此，短時(shí)過(guò)電流設(shè)備的校準(zhǔn)主要由電流探頭變比校準(zhǔn)和電流幅度參數(shù)測(cè)量校準(zhǔn)以及時(shí)間參數(shù)測(cè)量校準(zhǔn)組成。校準(zhǔn)原理框圖如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)原理框圖Fig.2 Calibration principle block diagram

經(jīng)電流互感器接入式的電能表的電流規(guī)格為1.5（6）A、0.3（1.2）A，最大電流分別為 6 A、1.2 A。短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)規(guī)定，儀表應(yīng)能經(jīng)受相當(dāng)于20Imax，允許誤差為+0%～-10%的電流，施加時(shí)間為0.5 s。綜合考慮上述因素，考核短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出24 A、120 A電流值和持續(xù)時(shí)間。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

校準(zhǔn)短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中ΔI為短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流的絕對(duì)誤差，單位為A；I1為數(shù)字示波器測(cè)得的電流值，單位為A；KI為電流探頭變比，單位為mV/A；I標(biāo)為短時(shí)過(guò)電流設(shè)備輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流值24 A、120 A；ΔT為短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流持續(xù)時(shí)間的絕對(duì)誤差，單位為s；T1為數(shù)字示波器測(cè)得的時(shí)間值，單位為s；T標(biāo)為短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)時(shí)間值10 ms。

影響校準(zhǔn)結(jié)果的主要不確定度來(lái)源包括測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流持續(xù)時(shí)間允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、電流探頭變比誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、電流探頭準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器幅度測(cè)量準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器時(shí)間周期測(cè)量準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器時(shí)間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、人員及環(huán)境因素引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

實(shí)驗(yàn)室的溫度在21.2℃～23.6℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度在45%～56%范圍內(nèi)，開(kāi)展短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)的人員在2人～3人，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得，人員及環(huán)境因素不確定因素影響較小，可以不予考慮。

待測(cè)電流絕對(duì)誤差ΔI是關(guān)于輸入量I1、KI的函數(shù)，即：

輸入量之間互不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播率公式可得各靈敏函數(shù)為：

于是，電流絕對(duì)誤差ΔI的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

將式（4）、式（5）代入式（6）中，得出：

JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》定義L相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度是標(biāo)準(zhǔn)不確定度除以測(cè)得值的絕對(duì)值［9］。因此，數(shù)字示波器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度）表示，電流探頭引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度用ucr（KI）表示，將式（7）更改為：

測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照A類評(píng)定，電流探頭數(shù)字示波器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照B類評(píng)定，電流I相對(duì)誤差的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不

3.1 被測(cè)電流值24 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.1.1 被測(cè)電流值24 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定

在相同測(cè)量條件下，使用數(shù)字示波器和電流探頭（電流探頭使用10 mV/A檔位）重復(fù)測(cè)量24 A電流值10次，測(cè)量結(jié)果如表1所示。確定度為：

待測(cè)時(shí)間T使用數(shù)字示波器時(shí)間周期測(cè)量監(jiān)測(cè)得出數(shù)據(jù)。與上述推導(dǎo)過(guò)程類似，時(shí)間T的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

表1 24 A電流值的10次測(cè)量結(jié)果Tab.1 24 ampere current value of the measured results of 10 times

表2 24 A電流持續(xù)時(shí)間的10次測(cè)量結(jié)果Tab.2 24 ampere current duration of the measured results of 10 times

單次測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為S（T1i），取第1次測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.1.2 被測(cè)電流值24 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定

（1）短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流允許誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr1

試驗(yàn)電流允許誤差在0%～-10%范圍內(nèi)，區(qū)間半寬度為a1=5%，在區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為服從均勻分布，包含因子短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)電流允許誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備輸出電流持續(xù)時(shí)間允許誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr2

持續(xù)時(shí)間允許誤差在-10%～10%范圍內(nèi)，區(qū)間半寬度為a2=10%，在區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為服從均勻分布，包含因子短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)電流允許誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：（3）電流探頭變比誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr3

電流探頭經(jīng)校準(zhǔn)合格，變比誤差的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.2%，包含因子k=2。根據(jù)B類評(píng)定的方法，電流探頭變比誤差可能值區(qū)間半寬度a3與其相對(duì)擴(kuò)展不確定度U相等，即a3=0.2%。電流探頭變比誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：（4）電流探頭準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr4

1.確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。朗讀的評(píng)價(jià)，在標(biāo)準(zhǔn)上我們主要考慮三個(gè)方面：一是讀得是否正確，二是讀得是否流利，三是讀得是否有感情。

電流探頭準(zhǔn)確度為2%讀數(shù) +0.1 A，讀數(shù)為23.0 A，區(qū)間半寬度為a4=0.56 A，在區(qū)間內(nèi)可以服從均勻分布，包含因子則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

電流探頭準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（5）數(shù)字示波器幅度測(cè)量準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr5

數(shù)字示波器經(jīng)校準(zhǔn)合格，幅度測(cè)量準(zhǔn)確度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.5%，包含因子k=2。根據(jù)B類評(píng)定的方法，幅度測(cè)量準(zhǔn)確度可能值區(qū)間的半寬度a5與其相對(duì)擴(kuò)展不確定度U相等，即a5=0.5%。幅度測(cè)量準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：（6）數(shù)字示波器時(shí)間周期測(cè)量準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr6

數(shù)字示波器時(shí)間周期測(cè)量準(zhǔn)確度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=0.1%，包含因子k=2。根據(jù)B類評(píng)定的方法，時(shí)間周期測(cè)量準(zhǔn)確度可能值區(qū)間的半寬度a6與其相對(duì)擴(kuò)展不確定度U相等，即a6=0.1%。時(shí)間周期測(cè)量準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（7）數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr7

采用200 mV/div，電壓讀數(shù)顯示分辨力為1 mV，分辨力半寬度為a7=0.5 mV，在區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為服從均勻分布，取包含因子則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（8）數(shù)字示波器時(shí)間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uBr8

采用100 ns/div，時(shí)間間隔讀數(shù)顯示分辨力為1 ns，分辨力半寬度為a8=0.5 ns，在區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為服從均勻分布，取包含因子則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：數(shù)字示波器時(shí)間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 被測(cè)電流值120 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.2.1 被測(cè)電流值120 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定

在相同測(cè)量條件下，使用數(shù)字示波器和電流探頭（電流探頭使用1 mV/A檔位）重復(fù)測(cè)量120 A電流值10次，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 120 A電流值的10次測(cè)量結(jié)果Tab.3 120 ampere current value of the measured results of 10 times

（2）數(shù)字示波器測(cè)量的時(shí)間值T1，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 120 A電流持續(xù)時(shí)間的10次測(cè)量結(jié)果Tab.4 120 ampere current duration of the measured results of 10 times

3.2.2 被測(cè)電流值120 A的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

120 A與24 A測(cè)量點(diǎn)電流探頭準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不一致，其余B類評(píng)定數(shù)據(jù)同3.1.2章節(jié)。

電流探頭準(zhǔn)確度為2%讀數(shù)+0.5 A，讀數(shù)為115 A，區(qū)間半寬度為a4=2.8 A，在區(qū)間內(nèi)可以服從均勻分布，包含因子則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

單次測(cè)量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為S（T1i），取第1次測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

電流探頭準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3 相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

被測(cè)電流值24 A、120 A時(shí)的各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的，采用方和根法合成，計(jì)算得出電流I的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

被測(cè)時(shí)間值0.5 s時(shí)的各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的，采用方和根法合成，計(jì)算得出時(shí)間T的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.4 相對(duì)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，被測(cè)電流值24 A、電流持續(xù)時(shí)間0.5 s的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

取包含因子k=2，被測(cè)電流值120 A、電流持續(xù)時(shí)間0.5 s的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

對(duì)上述數(shù)據(jù)分析，電流探頭變比引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、電流探頭準(zhǔn)確度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器的幅度測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器的時(shí)間周期測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、數(shù)字示波器時(shí)間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量不確定度（或最大允許誤差）之比小于1/3，滿足實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則在校準(zhǔn)領(lǐng)域的要求［10］。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)具體實(shí)例，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、人員等因素相結(jié)合，校準(zhǔn)短時(shí)過(guò)電流試驗(yàn)設(shè)備，評(píng)定測(cè)量不確定度，得出校準(zhǔn)結(jié)果滿足GB/T 17215.322-2008《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》要求，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，也為實(shí)驗(yàn)室設(shè)備核查工作提供技術(shù)依據(jù)。在實(shí)際運(yùn)用中，若使用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度不便，可轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。