一種新型特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置

張守亮，胡元元，姜永元，劉春艷，王涵予

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266000）

1 現(xiàn)狀分析

交流耐壓試驗(yàn)是鑒定電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度最直接的方法，特高壓耐壓機(jī)主要應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域電氣設(shè)備的耐壓試驗(yàn)，它是判斷電氣設(shè)備能否投入運(yùn)行決定性設(shè)備，也是保證設(shè)備絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要配置，因此其關(guān)鍵參數(shù)準(zhǔn)確與否，決定著試驗(yàn)的質(zhì)量，這涉及到特高壓耐壓機(jī)的校準(zhǔn)問題.

現(xiàn)階段，鐵路測試系統(tǒng)不同場景下的高電壓校準(zhǔn)，存在鐵路系統(tǒng)現(xiàn)設(shè)備校準(zhǔn)環(huán)境狹窄，電磁干擾環(huán)境惡劣，尤其是對高壓測量裝置的高精度校準(zhǔn)測量存在著很多不安全、不準(zhǔn)確、不可靠等因素的影響，由此需要在新的測試系統(tǒng)中首先解決抗強(qiáng)磁干擾的問題，其次需要解決有限的環(huán)境下如何能快速準(zhǔn)確的對被測產(chǎn)品進(jìn)行一次性快速校準(zhǔn)的問題.

圖1 測量原理圖Fig.1 Measurement schematic diagram

2 裝置工作原理與特點(diǎn)

系統(tǒng)采用機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，一套三件.系統(tǒng)設(shè)置分三部分組成，一部分為高精度測量裝置，高壓測量裝置部分隔離電壓達(dá)到250 kV.以確保設(shè)備及人身安全，再一部分為系統(tǒng)處理及顯示裝置.測量裝置是獨(dú)立一體是不可拆卸的單一結(jié)構(gòu).控制顯示系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)為主體，配備各類電流，電壓采集傳感器及數(shù)據(jù)卡，以達(dá)到設(shè)備使用精度.第三部分為測量系統(tǒng)托架便于設(shè)備現(xiàn)場或野外使用.

該裝置基于高壓測量傳感器原理，采用可靠的屏蔽抗干擾傳輸系統(tǒng)，結(jié)合前置放大濾波器對微小高壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理.通過專用采集卡采集處理后的數(shù)據(jù)給中央處理單元，用以讀取和分析，并以標(biāo)準(zhǔn)證書報(bào)告的格式呈現(xiàn).

為使測試系統(tǒng)對抗強(qiáng)磁干擾，裝置設(shè)計(jì)之初首先就需要解決高壓測量裝置采集的高電壓微小波動(dòng)對校準(zhǔn)系統(tǒng)存在的影響，本裝置采用鎖相放大技術(shù)以保證對電壓及電流的測量的準(zhǔn)確度.將通過于基于鎖相放大器的調(diào)制方式進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，該裝置采用了此項(xiàng)技術(shù)使測量精度提升了6%以上[1].

3 裝置的原理

該裝置是由高精度電壓傳感器、高精度電流傳感器、前置信號(hào)放大器、信息采集處理單元以及軟件修正及校準(zhǔn)單元組成，其中信號(hào)采集處理單元經(jīng)中央處理器，發(fā)布指令給顯示單元、中央處理器還兼顧存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的任務(wù)，軟件修正及校準(zhǔn)單元，將數(shù)據(jù)補(bǔ)償修正后送中央處理器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理.

圖2 校準(zhǔn)裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of calibration device

4 校準(zhǔn)裝置的技術(shù)指標(biāo)

該裝置研制需實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）量程：0 ～100 kV

2）精度：AC：0.5% DC：0.5%

3）分壓比：1 000 ∶1

4）電氣強(qiáng)度：1.2 倍額定電壓

5）抗沖擊電壓：300 kV

5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

該裝置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠控制高精度電壓電流傳感器，實(shí)現(xiàn)對定點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)等，并將數(shù)據(jù)傳回到計(jì)算機(jī)，生成word 文檔，完全消除人為誤差.

具有設(shè)備查詢功能，可根據(jù)設(shè)備名稱、編號(hào)、校準(zhǔn)日期、檢定員等項(xiàng)目進(jìn)行單項(xiàng)或組合式查詢.還具有自動(dòng)生成與打印功能，能夠自動(dòng)生成校準(zhǔn)結(jié)果文件，打印校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)證書、通知書.

該系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)采集界面如下圖3 所示.

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面Fig.3 System data acquisition interface

6 校準(zhǔn)試驗(yàn)

該裝置應(yīng)用于中車某公司某產(chǎn)線上特高壓耐壓機(jī)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)試驗(yàn)接線圖如圖4 所示.

圖4 校準(zhǔn)試驗(yàn)接線圖Fig.4 Wiring diagram of calibration test

校準(zhǔn)試驗(yàn)按圖4 搭建線路后，用電源給被校準(zhǔn)特高壓耐壓機(jī)供電，高壓輸出至特高壓機(jī)校準(zhǔn)裝置，測量電壓值，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)詳見表1、表2.

根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果可得出本文設(shè)計(jì)的特高壓機(jī)校準(zhǔn)裝置符合校準(zhǔn)要求[2].

表1 直流電壓（DCV）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.1 DC voltage（DCV）calibration data

表2 交流電壓（ACV）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.2 AC voltage（ACV）calibration data

7 不確定度評定

特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置與待校特高壓耐壓機(jī)對接，設(shè)定待校的特高壓耐壓機(jī)的交、直流高壓值，在特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置上讀得相應(yīng)的讀數(shù).本文以直流電壓10 kV 點(diǎn)為例評定不確定度[3].

7.1 測量模型

特高壓耐壓機(jī)的測量模型按公式（1）計(jì)算.

式中，Vx為待校的特高壓耐壓機(jī)示值；Vn為特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置示值.

7.2 測量不確定度分析

7.2.1 靈敏系數(shù)

則靈敏系數(shù)ci按公式（3）計(jì)算.

則待校特高壓耐壓機(jī)與特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置的靈敏系數(shù)為：

7.2.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按公式（4）計(jì)算.

7.3 不確定度分量的評定

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，Vx不確定度主要來源于由待校件的重復(fù)性和分辨力；Vn的不確定度主要來源于特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置的年變化量和分辨力等.

7.3.1 由待校件的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確度分量u（Vx1）[A 類不確定度]

將特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置置于電壓測量狀態(tài)，設(shè)定待校特高壓耐壓機(jī)設(shè)定值，并讀取特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置的示值. 進(jìn)行10 次等精度測量，特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置測得十次實(shí)際值如下：

按公式（5）計(jì)算.

計(jì)算各測量值的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vx1）及其自由度v（Vx1）如表3 所示.

表3 各測量值的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vx1）及其自由度v（Vx1）Tab.3 the standard uncertainty u（Vx1）and its degree of freedom v（Vx1）introduced by the repeatability of each measurement value

7.3.2 由待校件的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（Vx2）[B 類不確定度]

待校件直流高壓分辨力為a，其區(qū)間半寬值為：a/2，假設(shè)在區(qū)間內(nèi)屬均勻分布，取包含因子為：k=，由其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按公式（6）計(jì)算.

則由待校件的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vx2）及其自由度v（Vx2）評定如表4 所示.

表4 待校件的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vx2）及其自由度v（Vx2）Tab.4 Standard uncertainty u（Vx2）and degree of freedom v（Vx2）introduced by resolution of parts to be calibrated

7.3.3 由特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置年變化引入的不確定度分量u（Vn1）[B 類不確定度]

設(shè)特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置測量直流高壓年變化量為a，其變化區(qū)間的半寬度值為：a，假設(shè)在此區(qū)間內(nèi)屬均勻分布，取包含因子為，由其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vn1）按公式（7）計(jì)算.

則特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置在測量電壓（DC：10 kV）時(shí)，由其年變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vn1）及其自由度v（Vn1）評定如表5 所示.

7.3.4 由特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置的分辨力引入的不確定度分量u（Vn2）[B 類不確定度]

特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置測量直流電壓時(shí)分辨力均為0.01 kV，其區(qū)間半寬值為：0.005 kV，假設(shè)在區(qū)間內(nèi)屬均勻分布，取包含因子為則分辨力引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vn2）按公式（8）計(jì)算.

表5 年變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Vn1）及其自由度v（Vn1）Tab.5 Standard uncertainty u（Vn1）and its degree of freedom v（Vn1）introduced by annual change

其自由度為∞.

7.4 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

7.4.1 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按公式（9）計(jì)算.

各評定點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc如表6 所示.

表6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucTab.6 Uncertainty of composite standard uc

7.4.2 確定擴(kuò)展不確定度

式中：k為包含因子.

7.5 測量不確定度分量匯總表

測量不確定度分量匯總見表7.

表7 DC 10 kV 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表Tab.7 Summary of uncertainty of DC 10 kV standard

8 結(jié) 論

本文介紹了一種新型特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)裝置，提出了一種特高壓耐壓機(jī)的校準(zhǔn)方法，得出試驗(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及誤差結(jié)果符合特高壓耐壓機(jī)校準(zhǔn)需求.通過應(yīng)用于校準(zhǔn)中車某公司特高壓耐壓機(jī)，校準(zhǔn)結(jié)果表明該裝置設(shè)計(jì)合理，解決了鐵路系統(tǒng)現(xiàn)設(shè)備校準(zhǔn)環(huán)境狹窄，電磁干擾環(huán)境惡劣，尤其是對高壓測量裝置的高精度校準(zhǔn)測量存在著很多不安全、不準(zhǔn)確、不可靠等因素技術(shù)問題[4]，能夠滿足軌道交通行業(yè)對特高壓耐壓機(jī)的校準(zhǔn)需求.