核電領域電器安全保護設備校準方法*

余國瑞 孫健 茅曉晨 陸福敏 王曉嵐/上海市計量測試技術研究院 上海市在線檢測與控制技術重點實驗室

0 引言

隨著核電的不斷發展，核電的安全是人們最關注的，這給確保核電運營安全提出了更高的要求。在核電領域中，檢修是確保核電運營安全的基礎，而確保核電檢測設備的可靠性和準確性是檢修任務的重中之重。

微機繼電保護測試系統、串聯諧振測試系統和高壓開關機械特性測試儀的工作范圍包含了電力線路、電力系統的高壓開關和電力系統的安全預警系統，其可靠性和準確性是保障核電安全運營的重點。這些重要安全檢測設備的校準工作關系到整個核電設施的正常運營及人員安全，至今，這些檢測設備在國內還沒有一套系統的、完善的、可靠的、全性能的校準方法。由于這些系統在核電領域中的重要作用，核電部門要求校準的呼聲日益高漲。

本文著重研究上述三種核電領域重要安全保護設備校準方法，研究在核電現場全性能的校準方法，解決了微機繼電保護測試系統時間參數。諧波參數、開關量和模擬量；串聯諧振測試系統獲取全諧振條件，諧振電壓畸變率和高壓開關機械特性測試儀時間、位移、速度和彈跳量的校準。

1 校準方法

1.1 微機繼電保護測試系統

校準裝置（圖1）采用電能質量分析儀、高精密數字多用表、數字存儲示波器、TFG5010T時間合成器和高壓開關機械特性校驗裝置進行校準，據其出廠指標進行判別。

微機繼電保護測試系統經過一段時間的預熱后，用高精密數字多用表進行測試系統的交直流電壓和頻率的數據采集，電能質量分析儀對繼保裝置的電流進行采集，根據波形計算出相對應的相位。用電能質量分析儀單獨對測試系統的電壓和電流進行采樣，合成為相對應的電壓和電流波形，對繼電保護系統進行諧波分析，得出電壓諧波和電流諧波數據，主要用于信號源單元的穩態檢測。數字存儲示波器對繼電保護系統的開關量和模擬量進行測試。高壓開關機械特性校驗裝置作為時間標準源對繼電保護系統的時間測量誤差進行校準。最后將標準器的測量結果輸入至計算機，對指標進行判別，并進行校準報告的打印。

1.2 串聯諧振測試系統

校準裝置（圖2）采用高精密數字多用表、電能質量分析儀、高速記憶數字示波器和多功能高壓表進行校準，據其出廠指標進行判別。

圖2 串聯諧振測試系統校準

當諧振回路達到全諧振時，用高精密數字多用表進行串聯諧振測試系統中頻率的數據測量，高速記憶數字示波器對諧振回路的電壓波形進行采集并存儲，電能質量分析儀對諧振回路的電壓波形失真率進行計算，得出諧振系統的波形畸變率。波形畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分數來表示，

式中：Un－ 第n次諧波電壓有效值；

U1－ 基波電壓有效值。

最后測量多功能高壓表對諧振系統中的高壓輸出，讀取測試數據，對指標進行判別。

1.3 高壓開關機械特性測試儀

校準裝置（圖3）采用高壓開關（動）特性測試儀時間校驗裝置和高壓開關（動）特性測試儀速度校驗裝置進行校準，依據其出廠指標進行判別。

利用PC操作高壓開關（動）特性測試儀時間校驗裝置，校驗裝置的輸出脈沖或電壓信號模擬實際的變化曲線，能真實地反映開關觸頭的運動狀況，從而對高壓開關機械特性測試系統的分閘時間、合閘時間和三相同期性進行精確的校準。

圖3 高壓開關機械特性測試儀校準

高壓開關（動）特性測試儀速度校驗裝置配有6個高精度位移傳感器，模擬的斷口信號能夠相對隔離，每個斷口的狀態變化參數獨立設定。對各種輸入輸出信號進行高速隔離或屏蔽處理，ADC采樣精確，從而對高壓開關機械特性測試系統的剛分速度、剛合速度、位移及彈跳性能進行校準。最后計算機通過USB接口與高壓開關（動）特性測試儀校驗裝置通訊，讀取測試數據，對指標進行判別，并進行校準報告的打印。

2 技術關鍵

2.1 串聯諧振測試系統如何達到全諧振

在R-L-C串聯電路中，出現線路端電壓和電流同相位的現象稱串聯諧振。電力系統中要盡量避免串聯諧振現象，因為串聯諧振時，電感、電容兩端電壓會比電源電壓大很多倍，容易在電網的某一部分造成過電壓，危及電氣設備的絕緣，造成設備損壞，引起其他事故。串聯諧振測試系統是運用串聯諧振原理，利用勵磁變壓器激發串聯諧振回路，調節變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯諧振，諧振電壓即為加到試品的電壓，由控制器（調壓器，變頻器）、激勵變壓器、諧振電抗器等組成。諧振電抗器與被試樣品（負載電容）組成高壓諧振回路。串聯諧振系統中，被試品電容量為Cx；在調頻式系列中，L為裝置組合配置的固定電抗器；U0為激勵變壓器的激勵電壓。通過調壓器將變頻電源的能量輸入諧振回路補償其有功損耗，并通過調變頻率激發諧振。當調頻頻率f為諧振頻率時，回路全諧振。在到達全諧振的過程中，要根據回路的LC條件，考量是否需要添加補償電容器。

2.2 串聯諧振測試系統如何得到諧振電壓波形和畸變率

當諧振回路達到全諧振時，用8846A高精密數字多用表進行串聯諧振測試系統中頻率的數據測量，TDS3000C高速記憶數字示波器對諧振回路的電壓波形進行采集并存儲，日本HIOKI公司的3193電能分析儀對諧振回路的電壓波形失真率進行計算，得出諧振系統的波形畸變率。波形畸變率由公式（1）表示。

必須注意，要想得到較好的諧振電壓波形，必須在校準系統的分壓器兩端獲取。系統的波形畸變率不能夠直接測得，需要進行轉換。因為電能質量分析儀的測試量程1 000 V，而校準時的測試電壓多為十幾千伏，應先用示波器1 000倍衰減探頭將電壓降低后再進行測量。

2.3 高壓開關機械特性測試系統如何知道開關開始動作

在測試儀的內部有兩個繼電器，分別用于合閘和分閘。每個繼電器都有三對常開接點（接點容量為10 A）。第一對接點接至測試儀背板上的分（合）閘控制，第二對接點接至測試儀面板上的分（合）閘指示燈，第三對接點接至測試儀內部的計時觸發（即內同步）。

以合閘為例，將測試儀面板上的合閘控制兩個端子接至被測開關上的合閘控制端子，當用戶整定完參數后，進行測試時，測試儀會驅動內部的合閘繼電器動作，使三對常開接點同時閉合，第一對接點的閉合會使開關動作，第二對接點的閉合會使測試儀面板上的合閘指示燈亮，第三對接點的閉合則去啟動測試儀內部的計時器，測試儀會在設定的測量時間內一直檢測12路斷口信號的變化，從而完成時間測量。

時間測量中，測試儀的數據是根據各斷口狀態變化記錄，而速度測量中測試儀的數據是根據采樣尺信號變化來記錄的，這樣，在速度測量中，開關本身的驅動回路以及操作機構的延時時間不會參與計算，從而保證了速度測量中對動觸頭速度的精確測量。時間測量輸入信號只需要斷口狀態，而速度測量輸入信號同時需斷口狀態和采樣尺信號。開關動作時可能會產生彈跳，在這種情況下，合閘時超程數據可能會偏大，分閘時的開距數據也會偏大，而合閘時所測的開距以及分閘時所測的超程是可信的。

2.4 高壓開關機械特性測試系統被檢儀器不能檢測到斷口信號

校驗過程中，被檢儀器不能檢測到斷口信號，可能的原因：①斷口信號接線錯誤。校準裝置提供多個獨立、隔離的斷口信號，被檢儀器往往需要將一些斷口連接在一起使用，此時應了解儀器的詳細接線情況，將相應的檢測端子進行短接等處理。還有一種可能的接線錯誤是：由于裝置模擬的斷口信號是有極性的，應檢查被檢儀器的斷口檢測端子的電壓或電流激勵的極性是否和校準裝置相一致；②設置的時間過長/過短/同期時間過大。一些儀器的斷口測量時間有明確的測量范圍，同時對測量的各斷口的同期時間也會進行處理，可以將校準裝置的所有斷口時間設置成相同的，設置到儀器的檢測范圍內，再進行正常的校準工作。

3 不確定度分析

微機繼電保護測試系統、串聯諧振測試系統和高壓開關機械特性測試系統是日常核電站中最常使用的電器安全保護設備，針對這3種設備分別討論各參數的測量不確定度評定。

微機繼電保護測試系統是指當電力系統中的電力元件(如發電機、線路等)或電力系統本身發生了故障危及電力系統安全運行時，能夠向運行值班人員及時發出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發出跳閘命令以終止這些事件發展的一種自動化措施和設備。校準項目包括微機繼電保護測試系統中工頻交流源、高頻交流源和直流源的電壓、電流、頻率、相位等電量參數，諧波參數以及閉合、開啟時間。

串聯諧振測試系統是通過調整電感或電源頻率，使電感與電容達到諧振狀態的試驗裝置。該系統由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器和電容分壓器組成。被試品的電容與電抗器構成串聯諧振連接方式。分壓器并聯在被試品上，用于測量被試品的諧振電壓，并作過壓保護信號。調頻功率輸出經激勵變壓器耦合給串聯諧振回路，提供串聯諧振的激勵功率。廣泛用于電力、冶金、石油、化工等行業，適用于大容量、高電壓的電容性試品的交接和預防性試驗。校準項目包括串聯諧振測試系統的諧振耐壓參數、自動諧振頻點、諧振電壓波形畸變率等。

高壓開關測試系統是為適應現場測試高壓開關動作特性的需要而開發研制的專用儀器。它以單片機為核心進行采樣、處理和輸出，其主要特點是采用人機對話的方式操作、顯示結果并打印輸出。配以精確可靠的速度/距離傳感器，可用于各種電壓等級的高壓開關的機械性參數的調試與測量。校準項目：分（合）閘時間、同期性、開關行程分（合）閘平均速度等。

3.1 不確定度評定步驟

測量不確定度評定通常包括測量過程簡述、數學模型建立、各輸入量標準不確定度分量的評定、合成不確定度及擴展不確定度的評定。

在評定過程中:

1) 列出被測量Y 和各輸入量xi之間的函數關系 Y = f（X1, X2, … XN），計算靈敏度系數 Ci；

2) 確定輸入量的估計值xi，采用A類評定或B類評定方法計算其標準不確定度u（xi）；

3) 如果有一些或所有輸入量的值是相關的，計算其協方差或相關系數；

4) 根據函數關系、輸入量的估計值計算被測量的估計值y。如果有已知對系統影響修正值，應對y進行修正。

5) 計算測量結果的合成標準不確定度uc( y )；

6) 根據置信水平p 確定包含因子k ，計算擴展不確定度U。

3.2 不確定度匯總

通過計算和分析，核電領域電器安全保護設備示值誤差測量結果的不確定度評定匯總如表1所示。

表1 示值誤差測量結果的不確定度評定匯總

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