短時過電流試驗設備的校準方法研究*

王晨，丁恒春，姜振宇，魯觀娜，巨漢基，李亭

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院計量中心，北京 102208；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045）

0 引 言

隨著科技的快速發(fā)展，電氣設備的穩(wěn)定運行越來越重要。對于電氣設備耐受瞬間大電流的能力，短時過電流試驗是必不可少的檢測環(huán)節(jié)。智能電能表是智能電網(wǎng)的重要組成部分，其安全性能與用戶的利益關系密切，因此，短時過電流試驗是電能表型式試驗必檢項目［1-4］。

短時過電流試驗是依據(jù)GB/T 17215.322-2008《交流電測量設備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》，檢驗電能表耐受瞬變過電流的能力，影響電能表的安全性能［5-6］。短時過電流試驗設備是基于GB/T 17215.322-2008設計，屬于實驗室檢測設備。GB/T 27025-2008《檢測和校準實驗室能力的通用要求》和CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》規(guī)定，實驗室應配備正確進行檢測和校準所要求的檢測設備，并符合檢測和校準相應的規(guī)范要求［7-8］。因此，短時過電流試驗設備應滿足GB/T 17215.322-2008要求。

校準短時過電流試驗設備無可參考的技術標準，監(jiān)測大電流輸出值和持續(xù)時間是校準方法的難點。文中通過分析短時過電流試驗設備的工作原理，并基于對標準的理解，結合實驗室環(huán)境、人員等因素，詳細地闡述測量不確定度評定方法，再將校準結果與電能表技術標準要求比對，保證短時過電流試驗的準確性和試驗結論的一致性。

1 短時過電流試驗設備的工作原理

短時過電流試驗設備接入工作電源后，采用升流器原理，通過調(diào)整自耦變壓器輸出電壓以獲得試驗所需的過電流。試驗設備結構圖，如圖1所示。

圖1 短時過電流試驗設備結構圖Fig.1 Structure diagram of short time over current experiment equipment

2 短時過電流試驗設備的校準方法

短時過電流試驗設備依據(jù)GB/T 17215.322-2008《交流電測量設備特殊要求 第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》設計，校準本試驗設備采用電流探頭將試驗設備輸出的電流傳送至數(shù)字示波器，監(jiān)測試驗設備輸出的電流和持續(xù)時間。因此，短時過電流設備的校準主要由電流探頭變比校準和電流幅度參數(shù)測量校準以及時間參數(shù)測量校準組成。校準原理框圖如圖2所示。

圖2 校準原理框圖Fig.2 Calibration principle block diagram

經(jīng)電流互感器接入式的電能表的電流規(guī)格為1.5（6）A、0.3（1.2）A，最大電流分別為 6 A、1.2 A。短時過電流試驗規(guī)定，儀表應能經(jīng)受相當于20Imax，允許誤差為+0%～-10%的電流，施加時間為0.5 s。綜合考慮上述因素，考核短時過電流試驗設備輸出24 A、120 A電流值和持續(xù)時間。

3 測量不確定度評定

校準短時過電流試驗設備的數(shù)學表達式為：

式中ΔI為短時過電流試驗設備輸出電流的絕對誤差，單位為A；I1為數(shù)字示波器測得的電流值，單位為A；KI為電流探頭變比，單位為mV/A；I標為短時過電流設備輸出的標準電流值24 A、120 A；ΔT為短時過電流試驗設備輸出電流持續(xù)時間的絕對誤差，單位為s；T1為數(shù)字示波器測得的時間值，單位為s；T標為短時過電流試驗設備輸出電流標準持續(xù)時間值10 ms。

影響校準結果的主要不確定度來源包括測量重復性引入的標準不確定度、短時過電流試驗設備輸出電流允許誤差引入的標準不確定度、短時過電流試驗設備輸出電流持續(xù)時間允許誤差引入的標準不確定度、電流探頭變比誤差引入的標準不確定度、電流探頭準確度引入的標準不確定度、數(shù)字示波器幅度測量準確度引入的標準不確定度、數(shù)字示波器時間周期測量準確度引入的標準不確定度、數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的標準不確定度、數(shù)字示波器時間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的標準不確定度、人員及環(huán)境因素引入的標準不確定度。

實驗室的溫度在21.2℃～23.6℃范圍內(nèi)，相對濕度在45%～56%范圍內(nèi)，開展短時過電流試驗的人員在2人～3人，根據(jù)經(jīng)驗獲得，人員及環(huán)境因素不確定因素影響較小，可以不予考慮。

待測電流絕對誤差ΔI是關于輸入量I1、KI的函數(shù)，即：

輸入量之間互不相關，根據(jù)不確定度傳播率公式可得各靈敏函數(shù)為：

于是，電流絕對誤差ΔI的合成標準不確定度為：

將式（4）、式（5）代入式（6）中，得出：

JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》定義L相對標準不確定度是標準不確定度除以測得值的絕對值［9］。因此，數(shù)字示波器引入的相對標準不確定度）表示，電流探頭引入的相對標準不確定度用ucr（KI）表示，將式（7）更改為：

測量重復性引入的相對標準不確定度按照A類評定，電流探頭數(shù)字示波器引入的相對標準不確定度按照B類評定，電流I相對誤差的相對合成標準不

3.1 被測電流值24 A的相對標準不確定度評定

3.1.1 被測電流值24 A的相對標準不確定度A類評定

在相同測量條件下，使用數(shù)字示波器和電流探頭（電流探頭使用10 mV/A檔位）重復測量24 A電流值10次，測量結果如表1所示。確定度為：

待測時間T使用數(shù)字示波器時間周期測量監(jiān)測得出數(shù)據(jù)。與上述推導過程類似，時間T的相對合成標準不確定度為：

表1 24 A電流值的10次測量結果Tab.1 24 ampere current value of the measured results of 10 times

表2 24 A電流持續(xù)時間的10次測量結果Tab.2 24 ampere current duration of the measured results of 10 times

單次測量值的實驗標準偏差為S（T1i），取第1次測量值作為測量結果，則測量重復性引入的相對A類標準不確定度為：

3.1.2 被測電流值24 A的相對標準不確定度B類評定

（1）短時過電流試驗設備輸出電流允許誤差引入的相對標準不確定度uBr1

試驗電流允許誤差在0%～-10%范圍內(nèi)，區(qū)間半寬度為a1=5%，在區(qū)間內(nèi)可以認為服從均勻分布，包含因子短時過電流試驗設備試驗電流允許誤差引入的相對標準不確定度為：

（2）短時過電流試驗設備輸出電流持續(xù)時間允許誤差引入的相對標準不確定度uBr2

持續(xù)時間允許誤差在-10%～10%范圍內(nèi)，區(qū)間半寬度為a2=10%，在區(qū)間內(nèi)可以認為服從均勻分布，包含因子短時過電流試驗設備試驗電流允許誤差引入的相對標準不確定度為：（3）電流探頭變比誤差引入的相對標準不確定度uBr3

電流探頭經(jīng)校準合格，變比誤差的相對擴展不確定度U=0.2%，包含因子k=2。根據(jù)B類評定的方法，電流探頭變比誤差可能值區(qū)間半寬度a3與其相對擴展不確定度U相等，即a3=0.2%。電流探頭變比誤差引入的相對標準不確定度為：（4）電流探頭準確度引入的相對標準不確定度uBr4

1.確定評價標準。朗讀的評價，在標準上我們主要考慮三個方面：一是讀得是否正確，二是讀得是否流利，三是讀得是否有感情。

電流探頭準確度為2%讀數(shù) +0.1 A，讀數(shù)為23.0 A，區(qū)間半寬度為a4=0.56 A，在區(qū)間內(nèi)可以服從均勻分布，包含因子則標準不確定度為：

電流探頭準確度引入的相對標準不確定度為：

（5）數(shù)字示波器幅度測量準確度引入的相對標準不確定度uBr5

數(shù)字示波器經(jīng)校準合格，幅度測量準確度的相對擴展不確定度U=0.5%，包含因子k=2。根據(jù)B類評定的方法，幅度測量準確度可能值區(qū)間的半寬度a5與其相對擴展不確定度U相等，即a5=0.5%。幅度測量準確度引入的相對標準不確定度為：（6）數(shù)字示波器時間周期測量準確度引入的相對標準不確定度uBr6

數(shù)字示波器時間周期測量準確度的相對擴展不確定度U=0.1%，包含因子k=2。根據(jù)B類評定的方法，時間周期測量準確度可能值區(qū)間的半寬度a6與其相對擴展不確定度U相等，即a6=0.1%。時間周期測量準確度引入的相對標準不確定度為：

（7）數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度uBr7

采用200 mV/div，電壓讀數(shù)顯示分辨力為1 mV，分辨力半寬度為a7=0.5 mV，在區(qū)間內(nèi)可以認為服從均勻分布，取包含因子則標準不確定度為：

數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度為：

（8）數(shù)字示波器時間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度uBr8

采用100 ns/div，時間間隔讀數(shù)顯示分辨力為1 ns，分辨力半寬度為a8=0.5 ns，在區(qū)間內(nèi)可以認為服從均勻分布，取包含因子則標準不確定度為：數(shù)字示波器時間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度為：

3.2 被測電流值120 A的相對標準不確定度評定

3.2.1 被測電流值120 A的相對標準不確定度A類評定

在相同測量條件下，使用數(shù)字示波器和電流探頭（電流探頭使用1 mV/A檔位）重復測量120 A電流值10次，測量結果如表3所示。

表3 120 A電流值的10次測量結果Tab.3 120 ampere current value of the measured results of 10 times

（2）數(shù)字示波器測量的時間值T1，測量結果如表4所示。

表4 120 A電流持續(xù)時間的10次測量結果Tab.4 120 ampere current duration of the measured results of 10 times

3.2.2 被測電流值120 A的相對標準不確定度的B類評定

120 A與24 A測量點電流探頭準確度引入的相對標準不確定度不一致，其余B類評定數(shù)據(jù)同3.1.2章節(jié)。

電流探頭準確度為2%讀數(shù)+0.5 A，讀數(shù)為115 A，區(qū)間半寬度為a4=2.8 A，在區(qū)間內(nèi)可以服從均勻分布，包含因子則標準不確定度為：

單次測量值的實驗標準偏差為S（T1i），取第1次測量值作為測量結果，則測量重復性引入的相對A類標準不確定度為：

電流探頭準確度引入的相對標準不確定度為：

3.3 相對合成標準不確定度評定

被測電流值24 A、120 A時的各標準不確定度分量是互不相關的，采用方和根法合成，計算得出電流I的相對合成標準不確定度：

被測時間值0.5 s時的各標準不確定度分量是互不相關的，采用方和根法合成，計算得出時間T的相對合成標準不確定度：

3.4 相對擴展不確定度評定

取包含因子k=2，被測電流值24 A、電流持續(xù)時間0.5 s的相對擴展不確定度為：

取包含因子k=2，被測電流值120 A、電流持續(xù)時間0.5 s的相對擴展不確定度為：

對上述數(shù)據(jù)分析，電流探頭變比引入的相對標準不確定度、電流探頭準確度引入的相對標準不確定度、數(shù)字示波器的幅度測量引入的相對標準不確定度、數(shù)字示波器的時間周期測量引入的相對標準不確定度、數(shù)字示波器電壓讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度、數(shù)字示波器時間間隔讀數(shù)顯示分辨力引入的相對標準不確定度與短時過電流試驗設備的測量不確定度（或最大允許誤差）之比小于1/3，滿足實驗室能力認可準則在校準領域的要求［10］。

4 結束語

文中通過具體實例，與實驗室環(huán)境、人員等因素相結合，校準短時過電流試驗設備，評定測量不確定度，得出校準結果滿足GB/T 17215.322-2008《交流電測量設備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級和0.5S級）》要求，保證試驗的準確性，也為實驗室設備核查工作提供技術依據(jù)。在實際運用中，若使用相對標準不確定度不便，可轉換成標準不確定度。