10 kV雙級(jí)電壓互感器校準(zhǔn)線路分析及校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

劉 罡，尚 瑩，劉 璐，劉 晨,曹 兵

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 ，遼寧 沈陽 110006)

500 kV工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)主要由單盤感應(yīng)分壓器、七盤感應(yīng)分壓器、10 kV雙級(jí)電壓互感器、110 kV精密電壓互感器、220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器等6套主標(biāo)準(zhǔn)器組成[1]。本文對(duì)10 kV雙級(jí)電壓互感器的校準(zhǔn)線路和不確定度進(jìn)行分析。

1 校準(zhǔn)線路分析

與感應(yīng)分壓器類主標(biāo)準(zhǔn)器采用同變比自校和參考電勢(shì)法有所不同，互感器類的主標(biāo)準(zhǔn)器采用低端參考點(diǎn)標(biāo)定和高端串聯(lián)加法自校的方式完成量值復(fù)現(xiàn)。對(duì)于10 kV雙級(jí)電壓互感器，低端參考點(diǎn)標(biāo)定采用單盤感應(yīng)分壓器和七盤感應(yīng)分壓器級(jí)聯(lián)構(gòu)成八盤感應(yīng)分壓器的方式完成，由于單盤感應(yīng)分壓器的最高允許工作電壓為1 500 V，故低端參考點(diǎn)標(biāo)定的最高升壓檔位為10 kV雙級(jí)電壓互感器額定電壓的15%(通常取7.5%、10%、15% 3個(gè)檔位)，其余電壓檔位需通過串聯(lián)加法自校的方式完成[2]。下面對(duì)參考點(diǎn)標(biāo)定和串聯(lián)加法自校兩種方法分別加以分析。

1.1 參考點(diǎn)標(biāo)定

參考點(diǎn)標(biāo)定的校準(zhǔn)線路如圖1所示。線路主要由10 kV雙級(jí)電壓互感器、單盤感應(yīng)分壓器、七盤感應(yīng)分壓器、升壓器和互感器校驗(yàn)儀組成[3]。升壓器、10 kV雙級(jí)電壓互感器、單盤感應(yīng)分壓器的一次側(cè)并聯(lián)；七盤感應(yīng)分壓器的比例繞組AX與單盤感應(yīng)分壓器比例繞組的1/10段相連，勵(lì)磁繞組A0X0與單盤感應(yīng)分壓器勵(lì)磁繞組的1/10段相連；10 kV雙級(jí)電壓互感器的勵(lì)磁繞組a′x′與互感器校驗(yàn)儀的Uref和O端子相連，比例繞組a與互感器校驗(yàn)儀的UX相連，比例繞組x與地相連；七盤感應(yīng)分壓器的輸出端和互感器校驗(yàn)儀的UN端子相連； 10 kV雙級(jí)電壓互感器的變比設(shè)置為10 kV/100 V，單盤感應(yīng)分壓器采用10段方式連接，七盤感應(yīng)分壓器的7個(gè)盤調(diào)節(jié)為0.100 000 0，升壓器的一次側(cè)設(shè)置為2 kV，互感器校驗(yàn)儀的工作電壓設(shè)置為100 V。在上述條件下，對(duì)10 kV雙級(jí)電壓互感器進(jìn)行參考點(diǎn)標(biāo)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示[4]。試驗(yàn)時(shí)為消除電源對(duì)測(cè)量誤差的影響，采用正反向電源分別測(cè)量取平均值的方式記錄數(shù)據(jù)。

圖1 參考點(diǎn)標(biāo)定的校準(zhǔn)線路

項(xiàng)別額定電壓/V正向電源誤差反向電源誤差平均值750-18.0-3.68-10.841 000-16.1-5.68-10.89比值誤差/(10-6)1 500-15.3-6.36-10.83750-7.929.00.541 000-5.226.60.69相位誤差/(10-6rad)1 500-3.745.10.68

1.2 串聯(lián)加法自校

1.2.1 全電壓測(cè)量線路

全電壓測(cè)量線路采用10 kV雙級(jí)電壓互感器為被檢電壓互感器，上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為5 kV隔離電壓互感器，下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為6 kV雙級(jí)電壓互感器(工作電壓為5 kV)。上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的一次側(cè)和二次側(cè)分別串聯(lián)作為一個(gè)整體，完成對(duì)10 kV雙級(jí)電壓互感器的校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)線路如圖2所示，升壓器使用2個(gè)抽頭，高壓抽頭為10 kV，完成對(duì)6 kV雙級(jí)電壓互感器和隔離電壓互感器一次側(cè)的頭端加壓；中壓抽頭為5 kV，對(duì)隔離電壓互感器一次側(cè)的尾端和6 kV雙級(jí)電壓互感器一次側(cè)的首端強(qiáng)制升為5 kV，達(dá)到上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器和下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器各承擔(dān)5 kV電壓的效果[5-6]。全電壓試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果用εa表示。

圖2 全電壓測(cè)量線路

1.2.2 上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路

上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路如圖3所示，采用上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)5 kV隔離電壓互感器為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，10 kV雙級(jí)電壓互感器為被檢電壓互感器，升壓器的一次側(cè)電壓采用5 kV的中壓抽頭。半電壓試驗(yàn)的所有試驗(yàn)電壓均為全電壓時(shí)的一半，即需完成7.5%～63.5%額定電壓下的測(cè)量。上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果用εb表示。

圖3 上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(下級(jí)標(biāo)準(zhǔn))半電壓測(cè)量線路

1.2.3 下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路

下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路如圖3所示，不同之處為試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)器由5 kV隔離電壓互感器改為6 kV雙級(jí)電壓互感器(工作電壓為5 kV)。采用的變壓器抽頭和試驗(yàn)電壓與上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路完全相同。下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果用εc表示。

1.2.4 電壓系數(shù)的計(jì)算

依據(jù)JJF1067—2014《工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》，電壓系數(shù)△的計(jì)算由式(1)表示：

(1)

在全電壓測(cè)量線路下15%～127%額定電壓下的測(cè)量結(jié)果εa和上、下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)半電壓測(cè)量線路7.5%～63.5%額定電壓下的測(cè)量結(jié)果εb、εc分別進(jìn)行測(cè)量，并由式(1)計(jì)算得到15%～127%額定電壓下10 kV雙級(jí)電壓互感器電壓系數(shù)結(jié)果，如表2所示。

表2 電壓系數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.2.5 最終測(cè)量結(jié)果

10 kV雙級(jí)電壓互感器7.5%～15%額定電壓下的測(cè)量結(jié)果由參考點(diǎn)標(biāo)定線路直接得到，15%額定電壓以上的測(cè)量結(jié)果由參考點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果和電壓系數(shù)結(jié)果按照一定的算法得到，該算法如下：ε20=ε10+Δ20，ε40=ε20+Δ40,ε80=ε40+Δ80，ε30=ε15+Δ30，ε60=ε30+Δ60，ε120=ε60+Δ120，ε50=0.4ε20+0.6ε30+Δ50，ε70=0.45ε30+0.55ε40+Δ70，ε90=0.5ε40+0.5ε50+Δ90，ε100=ε50+Δ100，ε110=0.5ε50+0.5ε60+Δ110，ε127=0.7ε60+0.3ε70+Δ127。在該算法下，得到10 kV雙級(jí)電壓互感器的最終測(cè)量結(jié)果，如表3所示。

2 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

依據(jù)JJF1067—2014《工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》并取主要分量，10 kV雙級(jí)電壓互感器不確定度來源主要由以下幾部分組成：重復(fù)性條件下參考點(diǎn)標(biāo)定引入的不確定度分量u(x1)、重復(fù)性條件下電壓系數(shù)計(jì)算引入的不確定度分量u(x2)、誤差測(cè)量裝置引入的不確定度分量u(x3)、屏蔽誤差引入的不確定度分量u(x4)。

表3 最終測(cè)量結(jié)果

2.1 重復(fù)性條件下參考點(diǎn)標(biāo)定引入的不確定度分量

重復(fù)性條件是指在正常和正確操作情況下，由同一操作人員，在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用同一儀器，并在短期內(nèi)對(duì)相同被試品所作多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果。本文中參考點(diǎn)標(biāo)定的重復(fù)性測(cè)量是指對(duì)1.1節(jié)參考點(diǎn)標(biāo)定線路進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)量，并采用貝塞爾公式計(jì)算試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，取7.5%、10%、15%額定電壓下試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值。經(jīng)計(jì)算得到重復(fù)性條件下參考點(diǎn)標(biāo)定引入的不確定度分量比值誤差u(x1)=1.73×10-6，相位誤差u(x1)=1.81×10-6

rad。

2.2 重復(fù)性條件下電壓系數(shù)計(jì)算引入的不確定度分量

與2.1節(jié)相同，重復(fù)性條件下電壓系數(shù)計(jì)算引入的不確定度分量是指對(duì)1.2節(jié)中串聯(lián)加法自校線路進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)量，并采用貝塞爾公式計(jì)算試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，取15%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%、120%額定電壓下試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值。經(jīng)計(jì)算，得到重復(fù)性條件下電壓系數(shù)計(jì)算引入的不確定度分量比值誤差u(x2)=1.22×10-6，相位誤差u(x2)=2.34

×10-6rad。

2.3 誤差測(cè)量裝置引入的不確定度分量

誤差測(cè)量裝置引入的不確定度主要由互感器校驗(yàn)儀引起，由u(x3)=0.1εmax/1.7得到,εmax為校驗(yàn)儀測(cè)量讀數(shù)最大絕對(duì)值。對(duì)2.1節(jié)參考點(diǎn)標(biāo)定和2.2節(jié)電壓系數(shù)計(jì)算6次重復(fù)性測(cè)量所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到比值誤差εmax=11.2×10-6，相位誤差εmax=2.0×10-6rad。故校驗(yàn)儀引入的不確定度比值誤差u(x3)為0.7×10-6，相位誤差u(x3)為0.2×10-6

rad。

2.4 屏蔽誤差引入的不確定度分量

屏蔽誤差采用倍壓區(qū)間(參考點(diǎn)標(biāo)定線路下15%額定電壓測(cè)量值與7.5%額定電壓測(cè)量值之差)6次測(cè)量平均值與電壓系數(shù)(串聯(lián)加法線路下15%額定電壓測(cè)量值)6次測(cè)量平均值的偏差計(jì)算。計(jì)算比值誤差u(x2)=3.4×10-6，相位誤差u(x2)=3.3×10-6rad。

3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由重復(fù)性條件下參考點(diǎn)標(biāo)定引入的不確定度分量u(x1)、重復(fù)性條件下電壓系數(shù)計(jì)算引入的不確定度分量u(x2)、誤差測(cè)量裝置引入的不確定度分量u(x3)、屏蔽誤差引入的不確定度分量u(x4)組成，由于四分量相關(guān)系數(shù)為0，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按式(2)計(jì)算：

(2)

擴(kuò)展不確定度由相應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子按式(3)計(jì)算得到[7],其中包含因子k=2：

U=kuc

(3)

由式(2)、式(3)得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度如表4所示(擴(kuò)展不確定度保留2位有效數(shù)字，最后1位進(jìn)位)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)10 kV雙級(jí)電壓互感器的自校準(zhǔn)線路進(jìn)

表4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

行了分析，并給出了參考點(diǎn)標(biāo)定和串聯(lián)加法的單次測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從4個(gè)方面對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，最終給出了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。本文對(duì)單次測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)結(jié)果不確定度數(shù)據(jù)同上級(jí)單位的校準(zhǔn)證書進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)結(jié)果均在合理范圍。本次試驗(yàn)的量值復(fù)現(xiàn)為工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)下一級(jí)主標(biāo)準(zhǔn)器110 kV精密電壓互感器的自標(biāo)準(zhǔn)工作打下了良好的基礎(chǔ)。