淺析耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

楊躍武，卜祥強(qiáng)

（洛陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)中心，河南洛陽(yáng) 471000）

耐電壓測(cè)試儀是用于檢測(cè)和測(cè)試各種絕緣材料、電氣設(shè)備和絕緣結(jié)構(gòu)等抗電性能的儀器。耐電壓測(cè)試儀是一種具有分辨率高、工作距離大、范圍廣等特性的高精度電壓測(cè)量?jī)x器[1]。在實(shí)際生活中，人們都需要用到耐電壓測(cè)試儀，很多和電器相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)都要用到耐電壓測(cè)試儀進(jìn)行耐壓測(cè)試。耐電壓測(cè)試儀是對(duì)這一類儀器總體性的名稱。在現(xiàn)實(shí)中，耐電壓測(cè)試儀有很多種類，按其功能耐電壓測(cè)試儀可以分為各種類型的儀器，例如耐壓測(cè)試儀、高壓測(cè)試儀、高壓擊穿器等，其主要功能是檢驗(yàn)和測(cè)試各種電器設(shè)備的耐電壓和各種性能，通過檢測(cè)為電器設(shè)備的正常使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。在實(shí)際的測(cè)試過程中，耐電壓測(cè)試儀主要包括的測(cè)試內(nèi)容有交流耐壓、擊穿報(bào)警預(yù)置電流、直流耐壓、輸出電壓的持續(xù)時(shí)間和泄漏電流等。

耐電壓測(cè)試儀可以檢測(cè)絕緣材料在工作中對(duì)電壓的耐受能力，檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題，從而發(fā)現(xiàn)問題，解決產(chǎn)品低概率的損傷問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量。耐電壓測(cè)試儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)電器設(shè)備的安全有非常大的影響，在實(shí)際測(cè)量中經(jīng)常用測(cè)量誤差來表示，按照規(guī)程規(guī)定，一般用相對(duì)誤差來表示[3]。

對(duì)于耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析，很多對(duì)不確定度的來源分析不全面，方法不科學(xué)。該文在大量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，全面分析了耐電壓測(cè)試儀不確定度的來源，并分別用A 類和B 類不確定度評(píng)定了標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，計(jì)算了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，計(jì)算出耐電壓測(cè)試儀在交流1 kV 時(shí)的擴(kuò)展不確定度為0.011 kV，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 測(cè)量過程

1.1 測(cè)量原理

在進(jìn)行校準(zhǔn)開展前，有必要了解耐電壓的測(cè)量原理。耐電壓測(cè)試儀輸出的高壓通過耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀以后，耐電壓測(cè)試儀輸出的電流通過電阻進(jìn)行采樣，這樣就轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y(cè)量的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和采樣，然后對(duì)處理過的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)保持，并送到A/D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)讀取的數(shù)字進(jìn)行計(jì)算和處理[4]。然后通過耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀面板顯示數(shù)據(jù)，獲得測(cè)量結(jié)果[5]。測(cè)量原理如圖1 所示。

圖1 原理框圖

1.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀精度為0.5%級(jí)，可對(duì)耐壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置進(jìn)行最高精度等級(jí)為2 級(jí)的校驗(yàn)。耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀的交直流電壓準(zhǔn)確度為±（示值的0.5%+2 個(gè)字）。適用于最高輸出為15 kV 的耐電壓測(cè)試儀,該耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀可以對(duì)耐壓測(cè)試儀進(jìn)行首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。而且，它還可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)高壓表來使用，進(jìn)行高壓測(cè)量。同時(shí)，也可以當(dāng)作精密測(cè)量范圍為0.5～15 kV 交直流電壓的標(biāo)準(zhǔn)高壓表或電流表來使用。除了測(cè)量電壓和電流外，耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀可以自動(dòng)測(cè)量耐電壓測(cè)試儀的交直流輸出電壓有效值。在實(shí)際使用中，選擇合理的電阻箱，可以用來測(cè)量直流擊穿報(bào)警電流有效值，值得注意的是，在選擇電阻大小時(shí)，要留意電流的大小，電流不能超過電阻所允許的最大電流，測(cè)量不同的電流時(shí)要選擇相應(yīng)的電阻，以免損壞電阻，導(dǎo)致測(cè)量失敗。

1.3 被校耐電壓測(cè)試儀

被校耐電壓測(cè)試儀準(zhǔn)確度等級(jí)為3 級(jí)，測(cè)試電壓范圍為0.200～5.000 kV，步幅為10 V，分辨力為10 V，輸出精度為±（3%的設(shè)定值+10 V）。

1.4 測(cè)量方法

在測(cè)量前，要保證可靠接地，將耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀接通電源（220 V）。按下耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀的電源開關(guān)，耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀開機(jī)以后自動(dòng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，如果自檢成功后顯示成功狀態(tài)，即可進(jìn)行校準(zhǔn)。為了保證測(cè)量的穩(wěn)定性和精度，讓耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀內(nèi)各單元工作在最佳穩(wěn)定狀態(tài)，耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀在開機(jī)后運(yùn)行10 min 左右再進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。為了保證自檢的準(zhǔn)確性，在測(cè)量沒有開始之前，耐電壓測(cè)試儀校驗(yàn)儀進(jìn)行自檢以前應(yīng)該斷開其連接線，一般是有三個(gè)連接線，分別是高壓輸入端、電流、回路測(cè)量，待自檢成功后，在接入這三個(gè)連接線[6]。自檢結(jié)束后，根據(jù)自檢結(jié)果進(jìn)行后續(xù)操作，如果自檢成功將自動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)界面，如果自檢不成功，會(huì)出現(xiàn)提示自檢失敗，將故障排除后，重新進(jìn)行開機(jī)自檢進(jìn)入檢測(cè)模式[7]。

2 測(cè)量模型

耐電壓測(cè)試儀輸出電壓的測(cè)量模型用式（1）表示：

式中，Δ 表示被校耐電壓測(cè)試儀輸出電壓示值誤差，單位為V；a1表示被校耐電壓測(cè)試儀輸出電壓示值，單位為V；a2表示耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置測(cè)量電壓值，單位為V；由于輸入量a1、a2獨(dú)立[8]，則有：

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

3.1 由耐電壓測(cè)試儀重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度u1

耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置輸出交流電壓1 kV，用耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置按圖2 的連接方法進(jìn)行測(cè)量。按照1.4 節(jié)的測(cè)量方法耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置啟動(dòng)后進(jìn)入測(cè)量頁(yè)面，等待測(cè)量[9]。耐電壓測(cè)試儀的高壓端子同耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的高壓輸入端相連，耐電壓測(cè)試儀的低端與耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的公共回路端相連[10]。根據(jù)耐電壓測(cè)試儀類型，耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置選擇交流或者直流測(cè)量。因?yàn)槟碗妷簻y(cè)試儀輸出的是高壓，在測(cè)試過程中，嚴(yán)禁觸碰高壓端子，以免產(chǎn)生危險(xiǎn)，若測(cè)量過程有意外情況，應(yīng)第一時(shí)間切斷電源[11]。所有線連接好以后，按下耐電壓測(cè)試儀的啟動(dòng)按鈕，慢慢扭動(dòng)耐電壓測(cè)試儀的電壓調(diào)節(jié)器，緩慢升壓至1 kV，此時(shí)記錄耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置顯示的電壓值[12]。

圖2 耐電壓測(cè)試儀測(cè)量連接方法

耐電壓測(cè)試儀通過測(cè)量的重復(fù)性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定，按照A 類方法進(jìn)行評(píng)定[13]。

按照以上方法，對(duì)耐電壓測(cè)試儀交流電壓1 kV點(diǎn)在相同條件下重復(fù)測(cè)量10 次，測(cè)量結(jié)果如表1 所示[14]。重復(fù)性測(cè)量只有在相同的條件下，才能更好地確定示值的誤差[15]。

表1 耐電壓測(cè)試儀重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 由耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差引入的不確定度u2

通過查閱耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置說明書可知耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置在1 kV 時(shí)的最大允許誤差為示值的±0.5%+2 個(gè)字，所以可以算出在1 kV 時(shí)的最大允許誤差為×0.5%+0.001 kV×2 ≈0.007 kV，按均勻分布考慮，故由耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置的最大允許誤差引入的不確定度分量為：

3.3 由被校耐電壓測(cè)試儀的分辨力引入的測(cè)量不確定度u3

通過查閱被校耐電壓測(cè)試儀說明書可知，被校耐電壓測(cè)試儀電壓輸出分辨力為0.01 kV，按均勻分布考慮，包含因子。若數(shù)字顯示器的分辨力為λ，由分辨力導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量采用B 類評(píng)定，則區(qū)間半寬度，因此有:

3.4 上級(jí)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度u4

通過查看上級(jí)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)證書可知，在1 kV 時(shí)給出的不確定度為urel=5×10-3，k=2，因此：

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

4.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度即合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度,是指由在一個(gè)測(cè)量模型中各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度獲得的輸出量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度指當(dāng)測(cè)量結(jié)果是由若干其他量的值求得時(shí)，按其他各量的方差和協(xié)方差算得的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[16]。

通過以上計(jì)算，對(duì)耐電壓測(cè)試儀的不確定度來源進(jìn)行了全面分析，如表2 所示。

表2 測(cè)量不確定來源

在測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)，如果計(jì)算結(jié)果顯示重復(fù)性引入的不確定度分量小于被耐電壓測(cè)試儀的分辨力所引入的不確定度分量，應(yīng)當(dāng)用分辨力引入的不確定度分量代替重復(fù)性所引入的不確定度分量，也就是說應(yīng)當(dāng)舍棄重復(fù)性引入的不確定分量，只保留由分辨力引入的不確定度分量。根據(jù)上文的計(jì)算顯示，舍去重復(fù)性引入的不確定分量。

由于以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的，所以輸出電壓的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

通常取置信概率[17]p=95%，k=2，因此有：

4.3 校準(zhǔn)和測(cè)試能力分析

通過以上分析計(jì)算可知，耐電壓測(cè)試儀輸出交流電壓在1 kV時(shí)的示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果為：U=0.01 kV，k=2。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文通過對(duì)耐電壓測(cè)試儀的介紹，結(jié)合大量的測(cè)量工作，將在實(shí)際工作中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)分析，詳細(xì)敘述了耐電壓測(cè)試儀校準(zhǔn)過程，全面分析了耐電壓測(cè)試儀不確定度的來源，評(píng)定了標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，計(jì)算了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，最后計(jì)算了擴(kuò)展不確定度，計(jì)算出了耐電壓測(cè)試儀在交流1 kV 時(shí)的擴(kuò)展不確定度為0.011 kV，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。通過分析耐電壓測(cè)試儀的不確定度，便于使用它的人評(píng)定其可靠性，另一方面也增強(qiáng)了測(cè)量結(jié)果之間的可比性，在以后的校準(zhǔn)過程中對(duì)測(cè)量結(jié)果有指導(dǎo)意義。