基于分壓替代的工頻高壓試驗裝置現(xiàn)場核驗方法

沈明炎 肖娜麗 張煌輝 董小龍 / 福建省計量科學研究院

0 引言

工頻高壓試驗裝置作為電力設備檢測及預防性試驗所必備的試驗設備，在工業(yè)生產(chǎn)中十分重要。隨著我國高壓試驗技術、新材料和新工藝技術應用以及電力工業(yè)設備的不斷更新?lián)Q代，對試驗等級和試驗頻次的要求也越來越高。為了能夠更為高效便攜地適用于現(xiàn)場工作及在頻繁移動的工作條件下使用，在充分利用重量更輕、絕緣性能和滅弧性能更優(yōu)良的六氟化硫氣體的基礎上，結合新工藝，使裝置整體技術性能有很大的提升，且充氣式輕型試驗變壓器取代了傳統(tǒng)油浸式試驗變壓器作為工頻高壓試驗裝置的組成部件[1]。雖然由充氣式輕型試驗變壓器構成的工頻高壓試驗裝置具備較好的安全性和穩(wěn)定性，但是，由于工頻高壓試驗裝置需要帶離實驗室至現(xiàn)場作業(yè)，試驗裝置存在搬運、組裝、現(xiàn)場接線以及頻繁移動的工作情況，可能導致試驗裝置的高壓輸出產(chǎn)生偏差[2]，從而影響試驗的可靠性，因此，在現(xiàn)場試驗前，對試驗裝置進行量值準確性核驗是必要的。

1 工作原理與結構

工頻高壓試驗裝置是進行工頻耐壓試驗的主要設備，用于考核和衡量電氣設備、元器件和絕緣材料等產(chǎn)品的絕緣性能、局部缺陷和承壓能力。工頻高壓試驗裝置通常由試驗變壓器和控制箱兩部分組成[3]，其結構原理圖如圖1所示。工頻高壓試驗裝置是利用升壓變換原理將控制箱輸入的工頻低電壓變換為工頻高電壓輸出，工頻電源電壓輸入控制箱內置調壓器，調壓器的二次側與試驗變壓器的控制回路相連接，通過調節(jié)輸出大小來控制高電壓的輸出，測量單元則接入試驗變壓器的測量回路，再經(jīng)過變比換算將輸出高電壓值通過顯示單元顯示[4-5]。

圖1 工頻高壓試驗裝置結構原理

2 直接比較測量法

工頻高壓試驗裝置的輸出電壓示值準確性通常采用直接比較測量法進行核驗，其中核驗標準是由標準分壓器和數(shù)字多用表構成的標準分壓器測量系統(tǒng)[6]，核驗原理圖如圖2所示。核驗時，首先將工頻高壓試驗裝置按要求連接放置，再將標準分壓器的高壓端與工頻高壓試驗裝置高壓輸出端連接，標準分壓器的低壓測量端連接至數(shù)字多用表，然后接通工頻高壓試驗裝置的控制箱電源，調零后通過調壓回路設置試驗電壓并輸出。在相同電壓的條件下，采集數(shù)字多用表的實測電壓示值，與標準分壓器的標稱分壓比相乘，得到實測高壓示值。同時采集工頻高壓試驗裝置測量回路得到的高壓示值，兩者直接比較得到裝置的輸出電壓示值偏差。

圖2 直接比較測量法核驗原理

在實際應用的過程中，當工頻高壓試驗電壓等級較小時，用于測量的標準分壓器相對體積和質量較小，利用直接比較測量法更為便利準確。但是，當工頻高壓試驗電壓等級較大時，用于測量的標準分壓器體積和質量大得多，并且對空間和布局的要求也更多，此時便會大大增加現(xiàn)場試驗的工作量和復雜性[7]。因此，為了提高工頻高壓試驗現(xiàn)場作業(yè)的可靠性、安全性和便利性，以較小的投入和較高的效率完成現(xiàn)場高壓試驗作業(yè)，需要研究更為高效便捷的替代方法來實現(xiàn)試驗裝置電壓準確性的核驗。

3 替代測量法

受限于現(xiàn)場作業(yè)條件，標準分壓器測量系統(tǒng)較難實現(xiàn)現(xiàn)場配置，鑒于高壓試驗裝置的測量原理以及實際的現(xiàn)場工作經(jīng)驗，可根據(jù)工頻高壓試驗裝置變比固定的結構原理，即UH=kUL（UH為試驗變壓器一次側高電壓，UL為試驗變壓器二次側低電壓，k為試驗變壓器變壓比），將高電壓測量轉換為低電壓測量，利用變比測試儀配合數(shù)字多用表方式替代直接測量，達到現(xiàn)場核驗的目的。

相較而言，單相變比測試儀和數(shù)字多用表更易獲得，更適合各種外出現(xiàn)場作業(yè)，并且單相變比測試儀是利用電壓比電橋法來進行測量，變比測試儀的分壓比測量準確度優(yōu)于0.5%，數(shù)字多用表的交流電壓測量準確度優(yōu)于0.05%，而常用工頻高壓試驗裝置的測量準確度要求不大于1%或3%，可滿足現(xiàn)場核驗的技術要求。

替代測量法利用變壓器特性，以分壓替代的方式進行量值測量，利用被測裝置的分壓比替代標準分壓器的分壓比，實現(xiàn)測量轉換，其核驗原理圖如圖3所示。在進行電壓示值核驗時，首先要確定試驗變壓器的變壓比偏差值，其中利用單相變比測試儀實測試驗變壓器分壓比，測試接線圖如圖3（a）所示；其次，電壓示值測量如圖3（b）所示，在試驗變壓器測量端并聯(lián)數(shù)字多用表，控制箱設置試驗高壓輸出，記錄數(shù)字多用表實測電壓示值，再同實測變壓器分壓比相乘，得到實際高壓示值，與控制箱顯示高壓示值進行比較，即可得到工頻高壓試驗裝置的高壓輸出偏差。

圖3 替代測量法核驗原理

為了確?，F(xiàn)場核驗的準確可靠，可在外出現(xiàn)場作業(yè)前，在高壓實驗室內對工頻高壓試驗裝置進行一次準確性驗證，利用標準分壓器測量系統(tǒng)對典型試驗電壓和常用試驗點進行測量，并記錄試驗裝置各試驗點的高壓輸出示值及與其對應的二次電壓值，繪制成數(shù)據(jù)圖表，當試驗裝置帶至現(xiàn)場試驗時，可用于二次驗證。

4 比對試驗與數(shù)據(jù)分析

4.1 方法比對試驗

為了研究分析替代測量法的計量性能和測量偏差，設計比對試驗分別采用直接比較測量法(簡稱直測法，用D來表示)和替代測量法(簡稱替代法，用A來表示)對同一臺工頻高壓試驗裝置進行測量，并對測量結果進行數(shù)據(jù)分析。首先選取計量性能穩(wěn)定額定輸出電壓為100 kV的工頻高壓試驗裝置（MPE：±3%）作為被測樣品，并選取數(shù)字多用表（測量電壓MPE：±0.05%）、變比測試儀（分壓比MPE：±0.5%）、標準分壓器（分壓比MPE：±0.5%）作為測量標準。由于選取的測量標準的準確度相同，并且多次測量兩套標準器之間的偏差小于標準器最大允許誤差的1/5，可認為兩套標準器的測量準確度一致。其次，按照被測裝置電壓量程的10%、20%、50%、80%、100%分別進行測量，每個電壓點測量兩次，取平均值，測量結果如表1所示。

表1 測量結果

4.2 測量結果的不確定度評定

4.2.1 測量模型

工頻高壓試驗裝置的電壓示值誤差測量模型可用式（1）表示：

式中：Δγ—— 工頻高壓試驗裝置的相對誤差；

F——標準分壓器的標稱分壓比或變比測試儀的實測分壓比；

UL——數(shù)字多用表的實測電壓值；

UH——被測裝置的輸出電壓值

4.2.2 標準不確定度計算

1）標準器引入的相對標準不確定度u1rel

各標準器的準確度為數(shù)字多用表（測量電壓的MPE：±0.05%）、變比測試儀（分壓比MPE：±0.5%）、標準分壓器（分壓比MPE：±0.5%），在其區(qū)間內可以認為測量是均勻分布，包含因子，按B類方法進行評定，標準器的相對標準不確定度的各分量計算如下：

數(shù)字多用表的標準不確定度：

變比測試儀的標準不確定度：

標準分壓器的標準不確定度：

則標準器引入的相對標準不確定度u1rel如下：

2）電壓示值重復性引入的相對標準不確定度u2rel

標準測量系統(tǒng)和被校測量系統(tǒng)選取滿量程的20%、50%、80%和100%作為測量電壓點進行測量，其測量結果如表2、表3所示。

表2 50 kV電壓下的測量結果

表3 各電壓水平下測量結果

根據(jù)表2和表3的測量結果，由標準偏差最大值分別為0.513和0.468來計算，電壓示值重復性引入的相對標準不確定度分量其概率分布為正態(tài)分布，按A類方法進行評定：

3）電壓示值線性度引入的相對標準不確定度u3rel

線性度試驗采用與近似線性的電壓量值比對的方法進行測量。根據(jù)表3的測量結果，各電壓點實測電壓誤差值與平均值的最大差值分別為-0.216和-0.404，線性度引入的相對標準不確定度分量其概率分布為均勻分布，按B類方法進行評定：

4）短時穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度分量u4rel

短時穩(wěn)定性是利用短距離移動測試樣品位置，并在0.5 h內完成移動前后的兩次同量測量的方法進行測量。根據(jù)表4的測量數(shù)據(jù)，短時穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度分量其概率分布為均勻分布，按B類方法進行評定：

表4 短時穩(wěn)定性測量結果

5）頻率變化引入的相對標準不確定度u5rel

頻率變化是根據(jù)不同頻率的電壓輸出來測量被測樣品的動態(tài)平衡能力，根據(jù)表5的測量數(shù)據(jù)，頻率變化引入的相對標準不確定度分量其概率分布為均勻分布，按B類方法進行評定：

表5 頻率變化測量結果

根據(jù)上述工頻高壓試驗裝置的電壓示值各相對標準不確定度分量的分析評定，可匯總為表6的不確定度分量表。

表6 相對標準不確定度分量

4.2.3 相對合成標準不確定度的計算

由于GMC定義中含有條件均值及條件方差，在實際應用中計算起來不太方便。在已有文獻中，例如Fan 和Yao(1998)提到了計算條件方差的方法。本文將采用非參數(shù)核密度方法來估計GMC。

根據(jù)表6的不確定度分量表，其合成相對標準不確定度為

4.2.4 相對擴展不確定度的確定

取包含因子k= 2，則相對擴展不確定度為

4.3 數(shù)據(jù)分析與總結

利用歸一化方法對比對結果進行評價，其計算式如式（2）所示。當 |En| ＜ 1時，替代法進行測量的結果與直測法進行測量的結果一致性較好，較好地反映出了替代法的測量準確性；|En| ＞ 1時，替代法進行測量的結果與直測法測量的結果偏差較大，不能替代使用[8]。

式中：x——替代法的測量結果；

X——直測法的測量結果；

Urel(D)——直測法的測量結果的相對擴展不確定度

由表1的試驗結果可知，在被測設定值為80 kV時，兩種方法測量結果偏差最大，其誤差偏差值為0.32%，僅約為被測裝置準確度的1/10。根據(jù)歸一化分析可得到|En| = 0.30 ＜ 1，可認為測量結果無差異。通過試驗數(shù)據(jù)分析，可得到標準器的準確性是導致測量結果偏差的主要因素。當標準器準確性一致時，利用兩種方法進行測量得出的測量結果能夠保持一致。

5 結語

通過對工頻高壓試驗裝置工作原理和結構的理論分析，對直接比較測量和分壓替代測量兩種方法進行了比較，并設計比對試驗對兩種方法進行實測驗證以及測量不確定度評定，最后利用歸一化分析方法對試驗結果的數(shù)據(jù)分析和總結，可以得到在基于可靠的理論分析基礎上提出的分壓替代測量法，能夠與直接比較測量法的測量結果保持一致，可以滿足量值測量的準確性要求，并且更為適用于工頻高壓試驗裝置帶離固定試驗場所到作業(yè)現(xiàn)場的量值核驗，不僅保證了工頻高壓試驗現(xiàn)場作業(yè)的準確性、可靠性和安全性，同時也在操作性和成本方面更具經(jīng)濟效益。