高壓介質(zhì)損耗測量儀量值溯源校準(zhǔn)

/ 福建省計量科學(xué)研究院

0 引言

在電網(wǎng)線路中，各種絕緣材料、電力電纜、變壓器、電容器和互感器等高壓設(shè)備是否具備良好的絕緣性能至關(guān)重要，確保高壓設(shè)備的絕緣性能處于良好狀況，能夠有效地保障電網(wǎng)線路的安全運行。在電壓作用下，高壓設(shè)備的電介質(zhì)都會產(chǎn)生一定量的能量損耗，設(shè)備的絕緣性能則可以通過電介質(zhì)的能量損耗的大小來衡量，在一定條件下，測量電介質(zhì)損耗能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣缺陷[1]。當(dāng)電氣設(shè)備絕緣受潮或老化變質(zhì)等情況出現(xiàn)時，電介質(zhì)損耗會出現(xiàn)明顯的異常，因此，高壓設(shè)備電介質(zhì)損耗的現(xiàn)場測量，在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。隨著電力電網(wǎng)測試技術(shù)的發(fā)展及高新技術(shù)在設(shè)備制造中的應(yīng)用，高壓介質(zhì)損耗測量儀被普遍用于對高壓設(shè)備的介質(zhì)損耗的測量[2]。為了保證高壓介質(zhì)損耗測量儀在現(xiàn)場測量中的量值準(zhǔn)確可靠，研究高壓介質(zhì)損耗測量儀的量值溯源具有重要意義。

1 測量儀的特性簡析

電介質(zhì)損耗就是電介質(zhì)在交流電壓作用下，將部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿囊环N能量損耗，其中電容量（C）和介質(zhì)損耗因數(shù)（D）是用來衡量電介質(zhì)損耗的主要參數(shù)[3]。高壓介質(zhì)損耗測量儀是較為常見的一種電介質(zhì)損耗自動化測量的儀器，用于測量電容量（C）和介質(zhì)損耗因數(shù)（D）。高壓介質(zhì)損耗測量儀克服了比西林電容電橋精度不高，易受外界干擾的缺點，具備更簡便的操作方式，更直觀自動的測量方式，更高的測量準(zhǔn)確度，以及更強(qiáng)的抗干擾性能，因此被普遍應(yīng)用于實現(xiàn)工頻高電壓下電介質(zhì)損耗的現(xiàn)場測量。主要應(yīng)用于各種電力電纜、電容器、互感器、電容式電壓互感器（CVT）、變壓器、發(fā)電機(jī)等高壓設(shè)備絕緣材料和絕緣套管等的電介質(zhì)損耗的測量[4]。

高壓介質(zhì)損耗測量儀具備正/反接線、內(nèi)/外標(biāo)準(zhǔn)電容器、CVT和內(nèi)/外試驗電壓等多種測量方式[5]。測量儀的測試性能主要體現(xiàn)在內(nèi)置高壓正反接線試驗，用于測試不接地型和接地型兩種試驗對象。高壓介質(zhì)損耗測量儀具備良好的抗干擾性能，基本不受空氣濕度影響，運用矢量運算和移相法與干擾補(bǔ)償電路相配合的方法，有效消除外界電磁場和電壓對測量準(zhǔn)確度的影響，具備較好的測量重復(fù)性和電壓線性；具備報警和防護(hù)功能，能夠在高壓短路和突然斷電時迅速切斷高壓等特點[6]。

2 測量儀的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

高壓介質(zhì)損耗測量儀采用便攜式一體化結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要由變頻調(diào)壓電源，升壓變壓器、內(nèi)置高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電容器、介質(zhì)損耗測量電路、計算機(jī)系統(tǒng)和其他外接輔助設(shè)備組合而成，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。變頻調(diào)壓電源可調(diào)制頻率為45～65 Hz可變電壓，采用數(shù)字陷波技術(shù)，提高對工頻電場對測量的干擾抑制；升壓變壓器最高可輸出10 kV的試驗電壓，可實現(xiàn)在無外部設(shè)備情況下，內(nèi)部高壓測量范圍內(nèi)的現(xiàn)場測量；內(nèi)置高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電容器和介質(zhì)損耗測量電路則用于實現(xiàn)介質(zhì)損耗的量值測量，其中測量電路由標(biāo)準(zhǔn)線路和被測線路兩部分組成，由內(nèi)置高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電容器和采樣電路構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)線路，而被試線路則由被測樣品和采樣電路構(gòu)成；最后計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)介質(zhì)損耗測量過程中的數(shù)字化采集、數(shù)據(jù)處理、功能運行和人機(jī)交互等。

圖1 高壓介質(zhì)損耗測量儀的結(jié)構(gòu)原理

2.2 工作原理

由變頻調(diào)壓電源與升壓變壓器輸出測量試驗電壓，通過內(nèi)置高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電容器和介質(zhì)損耗測量電路對介質(zhì)損耗的量值測量，由計算機(jī)系統(tǒng)控制和運算，對實時采集的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量運算，分別測量計算得出標(biāo)準(zhǔn)線路與被試線路之間的電流幅值及其相位的關(guān)系，從而得到被測樣品的電容量（C）和介質(zhì)損耗因數(shù)（D）。

當(dāng)現(xiàn)場存在較大的干擾，影響到測量的結(jié)果時，可合理地選取不同的測量方式，可利用移相、倒相法減小干擾的影響，再根據(jù)實際情況計算，消除干擾數(shù)據(jù)，得出正確的測量結(jié)果。根據(jù)被測試品是否接地，可分兩種測量方式，即正接線測量方式和反接線測量方式，測量原理如圖2所示。

圖2 高壓介質(zhì)損耗測量儀的測量原理

3 測量儀的量值溯源校準(zhǔn)

3.1 量值溯源校準(zhǔn)方法

參照J(rèn)JG 1126-2016 高壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀檢定規(guī)程的技術(shù)要求[7]，高壓介質(zhì)損耗測量儀的主要量值參數(shù)是電容量（C）和介質(zhì)損耗因數(shù)（D），可采用直接測量法對高壓介質(zhì)損耗測量儀進(jìn)行溯源校準(zhǔn)。選取由標(biāo)準(zhǔn)電容和標(biāo)準(zhǔn)電阻組合的校準(zhǔn)裝置作為標(biāo)準(zhǔn)器，按照測量接線方式的要求進(jìn)行硬件連接，則溯源校準(zhǔn)原理如圖3所示。選取適當(dāng)?shù)臋z測試驗點對電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)的示值誤差進(jìn)行測量，各試驗點的設(shè)定如表1所示。依次測量各試驗點后，得到的測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值即為高壓介質(zhì)損耗測量儀電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)的示值誤差。

圖3 高壓介質(zhì)損耗測量儀的溯源校準(zhǔn)原理

表1 電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)的示值誤差試驗點

3.2 測量結(jié)果不確定度評定

依據(jù)JJG 1126-2016 高壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀檢定規(guī)程，在溫度(20±5) ℃、相對濕度≤80%的環(huán)境條件下，選取高壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀校準(zhǔn)裝置作為測量標(biāo)準(zhǔn)，高壓介質(zhì)損耗測量儀作為被測設(shè)備。采用直接比較法測量，先設(shè)定測量標(biāo)準(zhǔn)的電容量(Cs)和介質(zhì)損耗因數(shù)(Ds)參數(shù)，再由被檢設(shè)備輸出規(guī)定的測量試驗電壓，讀取被檢設(shè)備測量得到的電容量(Cx)和介質(zhì)損耗因數(shù)(Dx)，與測量標(biāo)準(zhǔn)示值之間的偏差值ΔC和ΔD。其測量模型為ΔC=Cx-Cs和ΔD=Dx-Ds。高壓介質(zhì)損耗測量儀的測量不確定度評定匯總表如表2所示。

在重復(fù)測量條件下，分別對電容量C= 100 pF、介質(zhì)損耗因數(shù)D= 0.001和D= 0.01的測量點開展各10次獨立重復(fù)測量，得到由重復(fù)性引入的不確定度分量u1；考慮測量標(biāo)準(zhǔn)的最大允許誤差帶入的影響，按均勻分布計算，得到由測量標(biāo)準(zhǔn)的最大允許誤差引入的不確定度分量u2；考慮被檢設(shè)備的示值分辨力帶入的影響，按均勻分布計算，得到由被檢設(shè)備的示值分辨力引入的不確定度分量u3。各輸入量彼此獨立、互不相關(guān)，則可得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc；取k= 2，得到高壓介質(zhì)損耗測量儀的溯源測量的擴(kuò)展不確定度U。

表2 高壓介質(zhì)損耗測量儀的測量不確定度

4 結(jié)語

隨著高壓設(shè)備電介質(zhì)損耗的現(xiàn)場測量在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，以及測量技術(shù)的不斷提高，更快捷、更高效、更人性化等測量功能的設(shè)計和應(yīng)用，高壓介質(zhì)損耗測量儀的準(zhǔn)確性和可靠性等計量性能更需得到保證，這關(guān)系到高壓用電設(shè)備的安全運行、人們生命和財產(chǎn)的安全，因此對高壓介質(zhì)損耗測量儀的溯源校準(zhǔn)，對有效保障計量性能的準(zhǔn)確度具有重要意義。本文先作高壓介質(zhì)損耗測量儀的功能特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，再進(jìn)一步研究了測量儀的量值溯源校準(zhǔn)的方法，及其測量結(jié)果不確定度的評定，為此類儀器儀表的溯源校準(zhǔn)提供參考，對高壓用電設(shè)備的現(xiàn)場測量具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實意義。

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[7]全國電磁計量技術(shù)委員會高壓計量分技術(shù)委員會.JJG 1126-2016高壓介質(zhì)損耗因數(shù)測試儀檢定規(guī)程[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.