0.000 5級電流比較儀工作標準乘法線路分析

劉 罡，常 源，曹 兵，劉 化，聶作欽

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

工頻電流比例標準主要由電流比較儀最高標準、傳遞標準和工作標準組成。通過自校準完成量值復現的最高標準和傳遞標準采用乘法線路或除法線路即可對工作標準完成量值傳遞，而工作標準可直接采用比較法對下級的雙級電流互感器或電流互感器完成量值傳遞。因此工作標準器是承上啟下的關鍵設備。目前國網遼寧省電力有限公司計量中心的電流比較儀工作標準變比為(0.1 A～5 000 A)/5 A，準確度等級為0.000 5級。該工作標準的所有變比中，(1 A～500 A)/5 A已為傳遞標準，不在本文的討論范圍之內。只有當電流比為(0.1 A～0.8 A)/5 A和(600 A～5 000 A)/5 A時，該電流比較儀才是真正意義上的工作標準。其中，(0.1 A～0.8 A)/5 A通常采用除法線路進行量值傳遞，(600 A～5 000 A)/5A 采用乘法線路進行量值傳遞，本文對該電流比較儀(600 A～5 000 A)/5 A變比下的校準線路進行分析，并對校準結果不確定度進行評定。

1 工作標準乘法線路分析

工作標準的乘法線路如圖1所示。A和B為傳遞標準，變比分別為n/1、m/1。Taa和Tba分別為A和B的輔助電流互感器，其一次繞組和二次繞組分別與各自的一次繞組和二次繞組相連。C為工作標準電流比較儀，變比為nm/1。ZF為調零箱，Z為負荷箱，HEG1為電流互感器校驗儀。升流器與B的一次繞組、C的一次繞組串聯，B的二次繞組和A的一次繞組級聯，C的二次繞組和A的二次繞組串聯同時與互感器校驗儀的TX、TO端子相連。HEG1的K端子與A的二次尾端相連，D端子與C的二次尾端相連同時與地相連，J端子和C的二次補償繞組相連。通過升流器的升流在B和C的一次繞組達到規定的電流，TX、TO監視二次繞組電流，K、D之間產生差流即可完成乘法線路的校準試驗。若A的誤差為εA，B的誤差為εB，乘法線路的誤差為εb，則C的誤差εC由式(1)計算：

εC=εb+εB+εA

(1)

在實際校準過程中，由于A選用0.000 02級電流比較儀，B選用0.000 1級電流比較儀，故比較儀A的誤差可忽略不計，則工作標準C的誤差εC由式(2)計算：

εC=εb+εB

(2)

圖1 工作標準的乘法線路圖

2 測量試驗

電流比較儀工作標準(600 A～5 000 A)/5 A電流比的校準通過最高標準A和傳遞標準B組成乘法線路完成。其中A誤差忽略不計，B的誤差在有關論文中已經算得[1-2]，本文直接按式(2)算出單次測量結果，比值誤差f和相位誤差δ如表1所示。

表1 工作標準(600 A～5 000 A)/5 A電流比的單次測量結果

3 不確定度的分析與評定

依據JJF 1068—2000《工頻電流比例標準裝置》校準規范，乘法線路的不確定度來源主要有兩部分：取不少于6次的單次測量測量結果進行統計，得到的標準偏差作為標準不確定度s1(A類不確定度)；通過乘法線路途經和比較線路途經得到誤差值得出偏差，分別按每個電流比計算差值的標準偏差s2(A類不確定度)[3-5]。 然而對于工作標準而言，無法找到相同變比的傳遞標準或最高標準進行比較線路校準，故乘法線路的不確定度選取3個部分：單次測量重復性引入的不確定度分量μ(x1)、標準器B引入的不確定度分量μ(x2)B和互感器校驗儀引入的不確定度分量μ(x2)。

3.1 測量重復性引入的不確定度分量

按照單次測量的方法，以600 A/5 A為例，對工作標準重復性試驗，并進行統計[6]，得到測量的平均值及試驗標準偏差，如表2所示。實驗標準偏差按照式(3)計算。

(3)

表2 工作標準測量重復性試驗測量結果

由于每次獨立測量測得正向電源誤差值、反向電源誤差值21次數據，故測量重復性引入的不確定度計算公式為

(4)

由式(4)算出測量重復性引入的不確定度比值誤差u(x1)=0.39×10-8，相位誤差u(x2)=0.59×10-8rad。本次測量重復性計算僅選取600 A/5 A 一個變比的測量重復性引入的不確定度分量，故結果有所偏小。實際評定時，需選取(600 A～5 000 A)所有變比試驗標準偏差的最大值作為工作標準測量重復性引入的不確定度分量。

3.2 標準器B引入的不確定度分量

標準器B即傳遞標準的不確定度主要指(60 A～500 A)/5 A這一區間引入的不確定度，主要由比較線路和乘法線路各自引入的不確定度合成得到[7]。相關論文對此已進行了討論[8]，本文直接算出比值誤差u(x2)=9.3×10-8，相位誤差u(x2)=10.7×10-8rad。

3.3 互感器校驗儀引入的不確定度分量

互感器校驗儀引入的不確定度分量u(x3)依據u(x3)=0.1εmax/1.7。εmax為被檢互感器的最大允許誤差。本文被檢工作標準電流比較儀為0.000 5級，故最大允許誤差比值誤差為500×10-8，相位誤差為500×10-8rad。計算得到互感器校驗儀引入的不確定度分量比值誤差u(x3)=29.4×10-8，相位誤差u(x3)=29.4×10-8rad。

4 合成標準不確定度和擴展不確定度的計算

合成標準不確定度由各分量合成得到，由于3個分量相關系數為0，故合成標準不確定度uc按式(3)計算[9]：

(5)

由式(5)得到工作標準的合成標準不確定度，如表3所示。

表3 工作標準合成標準不確定度

擴展不確定度由合成標準不確定度乘以包含因子計算得到U=kuc,本文取包含因子k=2,包含概率p=95.45%，uc為合成標準不確定度。經計算得到工作標準的校準結果擴展不確定度，如表4所示。

表4 工作標準校準結果的擴展不確定度

5 不確定度的驗證

為驗證工作標準的校準不確定度，采用傳遞比較法將本單位校準數據和上級單位校準數據進行對比，其中600 A/5 A檔位20%額定電流下的對比結果如表5所示。

表5 本單位校準數據和上級單位校準數據比對結果

通過傳遞比較法的驗證表明：工作標準乘法線路的不確定度數據符合要求。

6 結束語

本文對0.000 5級電流比較儀工作標準的乘法線路進行了分析，并從3個來源對乘法線路不確定度進行評定，計算合成標準不確定度和擴展不確定度，通過傳遞比較法驗證了不確定度數據的準確性。由于工作標準由乘法線路和除法線路兩部分組成，本文僅對乘法線路進行了評定，最終的不確定度為乘法線路不確定度和除法線路不確定度的最大值。故工作標準最終的不確定度需對乘法線路和除法線路分別統計后得到，除法線路的原理和試驗分析以及不確定度評定需進一步進行討論。