電纜外護(hù)層接地電流校準(zhǔn)及不確定度評定*

江翼，馮振新，周瑋，曹文彬，付濟(jì)良，王先培

(1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430072； 3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074)

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，大量單芯電纜的運(yùn)行導(dǎo)致電纜的負(fù)荷日益增大。國家電網(wǎng)對電纜外護(hù)層的帶電測試統(tǒng)計(jì)可知，外護(hù)層上的感應(yīng)電壓在正常情況下的值為20V以下[1-2]。

接地電流的檢測是判斷電纜是否安全的一個重要指標(biāo)，按照《變電設(shè)備帶電檢測工作指導(dǎo)意見》的要求，帶電檢測裝備需定期執(zhí)行檢查或比對，建立健全電纜外護(hù)層接地電流帶電檢測儀和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的評價(jià)和檢查比較是非常必要的。然而，以前校準(zhǔn)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境比對進(jìn)行的，現(xiàn)場環(huán)境對電纜外護(hù)層接地電流的校準(zhǔn)過程中是不能拆卸設(shè)備的，還要考慮背景電流干擾的問題。

采用基于磁平衡式霍爾原理與消隱輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的實(shí)時校準(zhǔn)方法，使用基于磁平衡式霍爾原理的電流傳感器準(zhǔn)確地收集設(shè)備中的背景滲出電流[3-7]，然后通過標(biāo)準(zhǔn)信號源逐次輸入與背景滲出電流大小相等方向相反的電流信號和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)電流信號，達(dá)到背景滲出電流對校準(zhǔn)過程的影響在不中斷電源和不拆卸相關(guān)裝置的情況下被消除的目的。

1 電纜外護(hù)層接地電流基本原理

電纜外護(hù)層主要有單端接地方式和交叉互聯(lián)接地方式，對于輸電距離較長的高壓電路，有時也采用這兩種接地方式結(jié)合的辦法[8]。高壓電纜由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，如果接地方式不當(dāng)，從電磁學(xué)的原理上這將必然引起保護(hù)層上出現(xiàn)感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓會在保護(hù)層上形成很大的感應(yīng)電流，需要對電纜的護(hù)層接地電流進(jìn)行帶電檢測，以判斷電纜是否處于安全運(yùn)行階段[9]。通過對電纜外護(hù)層接地電流的取樣，將接地線上的大電流轉(zhuǎn)化到合適的范圍內(nèi)，并利用A/D轉(zhuǎn)換電路，將電流數(shù)字化，并通過數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)對護(hù)層電流的檢測。

為保證設(shè)備的量值準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計(jì)了電纜外護(hù)層接地電流帶電檢測標(biāo)準(zhǔn)裝置如圖1所示，由標(biāo)準(zhǔn)的外護(hù)層接地電流測量裝置組成。

圖1 電纜外護(hù)層接地電流帶電檢測標(biāo)準(zhǔn)裝置Fig.1 Standard device for detection of grounding current charged in cable outer sheath

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量設(shè)備的校準(zhǔn)時，其中作為標(biāo)準(zhǔn)源的交流電流源用于輸出標(biāo)準(zhǔn)的交流電流信號，而作為標(biāo)準(zhǔn)的外護(hù)層電流測量裝置測出標(biāo)準(zhǔn)源輸出的電流信號，并以此作為相對標(biāo)準(zhǔn)對被檢測的設(shè)備裝置進(jìn)行示值誤差以及標(biāo)準(zhǔn)差等進(jìn)行校準(zhǔn)[10-11]。

2 電纜外護(hù)層接地電流監(jiān)測儀的校準(zhǔn)

由電纜外護(hù)層接地電流特征和監(jiān)測原理可知，采用標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入法校準(zhǔn)電纜外護(hù)層接地電流監(jiān)測儀，即使用標(biāo)準(zhǔn)信號源生成標(biāo)準(zhǔn)信號，輸入到電纜外護(hù)層接地電流監(jiān)測儀中，再將監(jiān)測儀的測量值和標(biāo)準(zhǔn)源生成的標(biāo)準(zhǔn)值相互比較，來達(dá)到對監(jiān)測儀的科學(xué)校準(zhǔn)的目的。鑒于現(xiàn)場會有背景滲出電流對校準(zhǔn)過程出現(xiàn)擾動，采用基于磁平衡式霍爾原理和消隱輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的方法現(xiàn)場對電纜外護(hù)層接地電流監(jiān)測儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.1 基于磁平衡式霍爾原理的電流傳感器

準(zhǔn)確提取的設(shè)備中背景滲出電流是現(xiàn)場環(huán)境分析的關(guān)鍵。單匝穿心電流傳感器在接通時不影響高壓裝置的電氣主接線，而且次級失效時對初級高壓的常規(guī)運(yùn)作沒有影響，因此儀器背景滲出電流由標(biāo)準(zhǔn)信號源預(yù)先抵消是收集背景滲出電流的更好方式。一般的電流傳感器的精度[12]往往僅能達(dá)到3%～5%，無法達(dá)到某些重要裝置的絕緣監(jiān)測要求?；谘芯?，磁平衡式霍爾原理的電流傳感器更滿足電力系統(tǒng)絕緣實(shí)時監(jiān)測的要求。

當(dāng)電流傳感器的勵磁涌流是“磁平衡”狀態(tài)，這是電流傳感器的電流輸出表現(xiàn)為較好的線性，比值誤差和相角誤差為零。但這只是理想的狀態(tài)，當(dāng)電纜外護(hù)層中的磁通為零(即I0=0)時，初級和次級的信號無法達(dá)到互動，電流傳感器就無法運(yùn)作?，F(xiàn)在已有的高精度電流傳感器上加入有源電子補(bǔ)償線路，達(dá)到實(shí)時檢測電纜外護(hù)層中的勵磁涌流并對其進(jìn)行補(bǔ)償，原理如圖2所示。

圖2 磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of zero flux current sensor

如圖2所示，N1、N2分別為輸入繞組、輸出繞組，N0為檢測繞組，N3為補(bǔ)償繞組。沒有補(bǔ)償時：

I1N1+I2N2=I0N1

(1)

式中I1為初級線圈的電流值；I2為次級線圈的電流值；I0為電纜外護(hù)層中的勵磁涌流。在電子線路增加補(bǔ)償時，電纜外護(hù)層中的磁平衡方程為:

(2)

2.2 消隱輸入標(biāo)準(zhǔn)信號源法

該方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流定律而產(chǎn)生的，具體操作過程：若有兩條各連支電流輸入各連支節(jié)點(diǎn)，且二者的幅值大小相等、相位間存在180°的差值，則流過各連支的總電流為零。當(dāng)通過電纜外護(hù)層接地電流監(jiān)測裝置的傳感器的電流為零時，這種情況等同于將原放于變電站的實(shí)時監(jiān)測裝置的傳感器重新放入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中?，F(xiàn)場校準(zhǔn)原理如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場校準(zhǔn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of online calibration principle

如圖3所示，通過除去背景電流滲出對現(xiàn)場環(huán)境中校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響，證明監(jiān)控設(shè)備中有已有誤差。在輸入標(biāo)準(zhǔn)信號以前，首先使用磁平衡式霍爾電流傳感器來獲得檢測儀器中電纜外護(hù)層接地電流；然后通過負(fù)回饋方法輸入與電纜外護(hù)層接地電流幅值及各項(xiàng)諧波分量相同，相位差為180°的電流，從而使得流經(jīng)監(jiān)控設(shè)備的電流為零；再輸入標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行校準(zhǔn)。其中，輸入的電流標(biāo)準(zhǔn)信號是具有可知諧波含量和幅度、相位可控的交直流混頻電流，可以顯著地表示在通常工作環(huán)境下電纜外護(hù)層接地電流的變換特征。

3 不確定度分析

按照如圖4所示的電路圖進(jìn)行接線，被檢儀器的測試線圈(卡鉗)水平面卡住電流線，并開始測試。

選擇被檢儀器最小可測量電流值(允許電流偏差 0～30%)、最大可測量 電流值(允許電流偏差-10%～0)以及0.1 A～500 A范圍內(nèi)共計(jì)7個不同的電流值進(jìn)行檢測。

圖4 校準(zhǔn)接線圖Fig.4 Calibration wiring diagram

通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電流源的輸出，測試被檢儀器從低量程到高量程各量程的電流示值及符號顯示，記錄標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出電流值Ir和被檢儀器讀數(shù)It。

針對電纜外護(hù)層接地電流測量采用的交流電流表的校準(zhǔn)，其中，校準(zhǔn)鉗形電流表的環(huán)境條件如表1所示。

表1 校準(zhǔn)鉗形電流表的環(huán)境條件Tab.1 Environmentalconditions for calibrating clamp ammeter

校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析的流程如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析的流程圖Fig.5 Flow chart of uncertainty analysis of calibration results

3.1 不確定度分析

影響相對介損計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度因素如下[13-17]：

(1)A類不確定度，主要來源于介損測試儀的測量重復(fù)性；

(2)B類不確定度，主要來源于相對介損標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量準(zhǔn)確性。

3.2 建立數(shù)學(xué)模型

由校準(zhǔn)原理可知，帶電檢測儀示值誤差校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型為：

ΔIt=It-Ir

(3)

式中ΔIt為被校驗(yàn)儀器示值誤差；It為被校測試儀介損因數(shù)測量值；Ir為校驗(yàn)電流標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定

因電容型裝置相對介損測試儀的測量重復(fù)性引起的A類不確定度用u1表示。在環(huán)境溫度(20±5)℃、相對濕度<60%,大氣壓(86-106)kPa，電源(220±22)V，(50±1)Hz的實(shí)驗(yàn)室條件下對針對校驗(yàn)測試儀的阻性電流為20A的點(diǎn)進(jìn)行測量，獨(dú)立重復(fù)20次獲得測量結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

表2 獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果Tab.2 Independently repeated experimental measurement results

得到算術(shù)平均值：

(4)

一次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差：

(5)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1為：

u1=Sn=0.252

(6)

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定

由校準(zhǔn)裝置測量的準(zhǔn)確度，即校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差所引起的B類不確定度用u2表示。

當(dāng)電流>10A時，該校驗(yàn)裝置的電流最大允許誤差為±(1.5%讀數(shù)±0.05)，即等于對應(yīng)的分散區(qū)間的半寬；

當(dāng)電流≤10A時，該校驗(yàn)裝置的電流最大允許誤差為±(2%讀數(shù)±0.1)，等于對應(yīng)的分散區(qū)間的半寬；

(7)

3.4 各不確定度分量匯總計(jì)算

由于各輸入量之間的關(guān)系均不相關(guān)，通過分析影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定性來源，我們可以用下面的公式來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(8)

由式(8)可知：

(9)

3.5 擴(kuò)展不確定度

當(dāng)?shù)玫叫?zhǔn)結(jié)果時，相對擴(kuò)展不確定度U值的通常是將合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc乘上包含因子k，取k= 2并轉(zhuǎn)換成相對擴(kuò)展不確定度：

U=k×uc=0.518

(10)

4 校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

對校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證采用量值傳遞法。通過選取一個更好的介損測試儀來用作本實(shí)驗(yàn)需要校準(zhǔn)的對象，首先用本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的校驗(yàn)裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)以獲得測量數(shù)據(jù)。然后將其送到國家高電壓計(jì)量站，在那里使用另一個更先進(jìn)的校驗(yàn)裝置對其進(jìn)行校準(zhǔn)獲得測量數(shù)據(jù)。通過公式求出二者的校準(zhǔn)結(jié)果，以此來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的合理性。

驗(yàn)證結(jié)果應(yīng)滿足如下要求：

(11)

式中y和U分別為本實(shí)驗(yàn)室的樣品校準(zhǔn)值和校驗(yàn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度值；y0和U0分別為國家高電壓計(jì)量站的樣品校準(zhǔn)值和校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度值。表3列出了本實(shí)驗(yàn)室和國家高壓計(jì)量站的樣本校準(zhǔn)值和不確定度值的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3 驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Verification results

圖5 本實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對比國家高電壓計(jì)量站數(shù)據(jù)Fig.5 Comparison of national laboratory high voltage metering station data with this laboratory data

5 結(jié)束語

通過研究電纜外護(hù)層接地電流計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理和實(shí)際工況，基于磁平衡式霍爾原理與消隱輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的實(shí)時校準(zhǔn)方法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理，設(shè)計(jì)合理有效的試驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下校準(zhǔn)帶電檢測儀。通過試驗(yàn)測量并計(jì)算了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，計(jì)算結(jié)果證明了所提出的電纜外護(hù)層接地電流現(xiàn)場校準(zhǔn)方法。希望能夠?yàn)楦唠妷河?jì)量儀器的校準(zhǔn)工作提供一定的借鑒意義。