新型變壓比電橋檢定儀校準(zhǔn)方法研究及不確定度評定

王永興，劉 罡，姜春陽

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

變壓比電橋?yàn)闇y量電力變壓器變比誤差的關(guān)鍵設(shè)備之一，其誤差準(zhǔn)確與否對區(qū)域內(nèi)電力生產(chǎn)、電能計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算及科學(xué)研究均有著重要影響。長期以來，其溯源方式為送檢至各省級計(jì)量院或中國計(jì)量科學(xué)研究院，該方式不僅需要花費(fèi)大量溯源費(fèi)用，更存在因長途運(yùn)輸帶來的設(shè)備失準(zhǔn)、損壞等隱患。近年來，隨著工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)及多盤感應(yīng)分壓器應(yīng)用技術(shù)成熟，研制一套以感應(yīng)分壓器原理為基礎(chǔ)的新型TR-I 型變壓比電橋檢定儀，可實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部對各類型變壓比電橋進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 TR-I 型變壓比電橋檢定儀結(jié)構(gòu)與原理

TR-I 型變壓比電橋檢定儀結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由分接盤、分壓盤和接線端子組成。分接盤位于TR-I 型變壓比電橋檢定儀（以下簡稱檢定儀）左上側(cè)，主要用于測量具有分接頭測量功能的變壓比電橋。分壓盤位于檢定儀中部，依據(jù)八盤感應(yīng)分壓器原理設(shè)計(jì)而成，用于測量變壓比電橋的變比K。接線端子分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩部分，分別接變壓比電橋的高壓側(cè)和低壓側(cè)［1-2］。

圖1 TR-I 型變壓比電橋檢定儀結(jié)構(gòu)

2 變比示值校準(zhǔn)

變比示值校準(zhǔn)采用單相（AB 相）校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)線路如圖2 所示。檢定儀高壓側(cè)A-X 與變壓比電橋高壓側(cè)AO-B 相連，檢定儀低壓側(cè)ao-x 與變壓比電橋低壓側(cè)ao-b 相連。將變壓比電橋連接組開關(guān)置于“0”或“12”，誤差盤置于“0”，指零儀靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最小。接通電源預(yù)熱10 min 以上［3］，然后將指零儀靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至最大，同時調(diào)節(jié)指零儀零位調(diào)節(jié)旋鈕，進(jìn)行零位平衡。平穩(wěn)地升起電壓至規(guī)定值，對于每個被檢定點(diǎn)，調(diào)節(jié)變比標(biāo)準(zhǔn)器示值，使指零儀重新指零，該點(diǎn)的示值相對誤差為

式中：δx為變壓比電橋被檢定點(diǎn)的相對誤差；Kn為檢定儀變比示值 （標(biāo)準(zhǔn)變比值）；Kx為變壓比電橋變比測量盤的指示值。

圖2 變壓比電橋校準(zhǔn)線路

變壓比電橋常用變比范圍為1～100，故檢定儀設(shè)定的值范圍為1～100。采用N9 選點(diǎn)法［1］，以檢定儀為主標(biāo)準(zhǔn)器，變壓比電橋?yàn)楸粰z設(shè)備，得到被檢電壓比電橋的變比示值誤差如表1 所示。由表1可到，最大變比誤差為-0.06%。被檢變壓比電橋準(zhǔn)確度等級為0.2 級，依據(jù)JJG 970—2002《變壓比電橋檢定規(guī)程》規(guī)定［3］，0.2 級變壓比電橋最大允許誤差為±0.2%，故該變壓比電橋變比示值誤差合格。

3 標(biāo)準(zhǔn)偏差校準(zhǔn)

選出被檢電橋變比示值誤差最大點(diǎn)作為被檢定點(diǎn)，在其他條件都不變的情況下，反復(fù)轉(zhuǎn)動被檢電橋變比測量盤，重復(fù)測量5 次以上［4］，計(jì)算被檢電橋的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

式中：S 為被檢電橋的標(biāo)準(zhǔn)偏差；n 為測量次數(shù)；xi為第i 次檢定實(shí)際值；x 為n 次檢定實(shí)際值的平均值。

表1 變比示值誤差

由表1 可知，在變比標(biāo)準(zhǔn)值為1 時變比示值誤差最大，故對該變比值進(jìn)行重復(fù)性測量5 次，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2 所示。Ui為5 次檢定中每次測量值與平均值的差值的平方。由于該值為最大變比誤差值時的標(biāo)準(zhǔn)偏差，故可認(rèn)為是變壓比電橋的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差。依據(jù)JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》規(guī)定，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于最大允許誤差。將表2 數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算可得標(biāo)準(zhǔn)偏差S 為0.011%，0.2 級變壓比電橋最大允許誤差為±0.2%，故該變壓比電橋標(biāo)準(zhǔn)偏差值合格。標(biāo)準(zhǔn)偏差S 可用于不確定評定過程中測量重復(fù)性引入的分量。

表2 標(biāo)準(zhǔn)偏差校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 不確定度評定

依據(jù)JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評定與表示校準(zhǔn)規(guī)范》和JJJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規(guī)程》要求，結(jié)合多盤感應(yīng)分壓器不確定度評定方法，變壓比電橋不確定度評定可從測量重復(fù)性、上級標(biāo)準(zhǔn)器、被檢電橋誤差修約化整3 方面分析［5］。

4.1 測量重復(fù)性

測量重復(fù)性引入的不確定主要由環(huán)境電磁場變化、變壓比電橋接觸電阻變化等引起，因此需要進(jìn)行不少于5 次的獨(dú)立測量［6］。對該0.2 級變壓比電橋在變比為1，Yd11 接線下進(jìn)行5 次獨(dú)立測量，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為S，由上文得到測量重復(fù)性引入的不確定度u1=S=1.1×10-4。

4.2 上級標(biāo)準(zhǔn)器

上級標(biāo)準(zhǔn)器為TR-I 型變壓比電橋檢定儀，其準(zhǔn)確度等級為0.01 級，根據(jù)JJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規(guī)程》要求，上級標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度應(yīng)不大于其最大允許誤差。0.01 級變壓比電橋檢定儀最大允許比值誤差為1×10-4，故上級標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度u2=1×10-4。

4.3 被檢電橋誤差修約化整

被檢電橋準(zhǔn)確度等級為0.2 級，其最大允許誤差為±0.2%，根據(jù)JJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規(guī)程》要求，誤差修約化整ε 通常按照其最大允許誤差的1/10 計(jì)算，即ε=0.2%×1／10=0.02%。由修約化整引入的不確定分量可視為均勻分布，故其引入的不確定度，經(jīng)計(jì)算修約化整引入的不確定度。

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由上述3 個不確定度分量合成得到，由于各不確定度分量互不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

經(jīng)計(jì)算uc=1.91×10-4。

擴(kuò)展不確定度U 采用進(jìn)一制，按照合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子k 計(jì)算。通常取k=2，得到擴(kuò)展不確定度比值誤差U=3.9×10-4。

5 不確定度驗(yàn)證

為驗(yàn)證該變壓比電橋在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果，將其送往最高標(biāo)準(zhǔn)檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。對變比為10，Yd11 接線下進(jìn)行校準(zhǔn)，并與本實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較。本實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果y 為2×10-4，上級標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)結(jié)果y0為1×10-4，兩者的差值為1×10-4。

6 結(jié)語

依據(jù)多盤感應(yīng)分壓器測量原理研制一套變壓比電橋檢定儀，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部完成對變壓比電橋校準(zhǔn)。從變比示值和標(biāo)準(zhǔn)偏差2 個方面給出了變壓比電橋的誤差結(jié)果。從測量重復(fù)性、上級標(biāo)準(zhǔn)器和被檢電橋3 個方面對變壓器電橋進(jìn)行了不確定度評定并計(jì)算了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度。最后給出不確定度驗(yàn)證，證明校準(zhǔn)結(jié)果符合要求。

因篇幅所限，不確定度評定僅給出變比值為10，Yd11 接線下不確定度評定結(jié)果。實(shí)際校準(zhǔn)時須給出所有常用變比和全部接線方式下校準(zhǔn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部校準(zhǔn)方法與傳統(tǒng)溯源至省級計(jì)量院或中國計(jì)量科學(xué)研究院相比存在測量數(shù)據(jù)較多、計(jì)算繁瑣等缺點(diǎn)，但可避免標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備長距離溯源造成設(shè)備損壞等隱患。故采用何種溯源方式須由本單位結(jié)合實(shí)際情況施行。