變壓器用油面溫控器溫度開關測量不確定度探討與評定

王海濤，董 亮，孫云飛，文 萌，郭 浩

(遼寧省計量科學研究院，遼寧 沈陽 110004)

檢定或校準的不確定度是指表征合理的賦予被測量值的分散性或與檢定或校準結果相聯系的參數[1]。不確定度的評定在各行各業的測量工作中至關重要[2]。在溫度計量中討論的不確定度一般為穩態測量下的不確定度，但是在實際應用中存在很多動態測量的情況，變壓器用油面溫控器中開關接點的測量就是一種典型的動態測量。變壓器用油面溫控器用來測量變壓器油箱油溫，監視變壓器運行狀態是否正常，變壓器油溫與繞組老化關系非常密切[3]，繞組長期在高溫下運行，可以導致絕緣層老化，減少變壓器壽命[4]。油面溫度計主要由彈性元件、毛細管、溫包和動作開關組成。當溫包受熱時，溫包內感溫介質受熱膨脹所產生的體積增量通過毛細管傳遞到彈性元件上，使彈性元件產生位移，經機構放大后指示出被測溫度并帶動斷路器動作，從而控制冷卻系統的投入或退出。因此油面溫控器動作開關準確與否是衡量變壓器油面溫控器性能的一個重要指標。油面溫控器開關動作誤差測量結果不確定度評定需要充分考慮動態測量的影響。

1 試驗設備及方法

依據DL1400—2015《油浸式變壓器測溫裝置現場校準規范》[5]，校準油面溫度計開關動作誤差時，將被校溫度計的傳感器與標準溫度計同時插入恒溫油槽中，在接近設定點時，控制恒溫油槽按照0.8～1.0 ℃/min 的升溫速率緩慢升高溫度，開關在上行程產生動作，并在動作瞬間讀取標準溫度計示值。試驗采用自行研制的變壓器油面溫控器測量裝置作為測試設備，該測量裝置采用二等標準鉑電阻溫度計作為標準溫度計，上位機控制PLC讀取開關狀態，掃描頻率設定為1 Hz，恒溫油槽在升溫過程中溫場均勻性不大于0.1 ℃。

2 不確定度分析

以1臺BWY-804型變壓器用油面溫控器在55 ℃的開關動作誤差為例進行不確定度評定。

2.1 數學模型

根據DL1400—2015《油浸式變壓器測溫裝置現場校準規范》的定義，接點動作誤差為

Δt=td-ts

(1)

式中：Δt為接點動作誤差，℃；td為被校溫度計接點動作瞬間標準溫度計讀數，℃；ts為被校溫度計接點設定值，℃。

2.2 靈敏度系數

td和ts的靈敏度系數為

(2)

(3)

2.3 各分量標準不確定度評定

2.3.1 輸入量td的標準不確定度u(td)評定

a.由溫度開關動作溫度的重復性引入的標準不確定度分量u1(td)

以55 ℃在重復性條件下對溫度開關進行6次測量，測量值分別為55.5 ℃，55.7 ℃，55.6 ℃，55.4 ℃，55.3 ℃，55.5 ℃，平均值為55.5 ℃，單次測量的標準偏差為

(4)

由于實際測量中以二次平均值作為測量結果，不確定度分量為

(5)

b.由二等標準鉑電阻溫度計的周期穩定性引入的標準不確定度分量u2(td)

二等標準鉑電阻溫度計在檢定周期內的穩定性，55 ℃時不超過0.014 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(6)

標準溫度表測量二等標準鉑電阻溫度計，在55 ℃時電測設備的最大允許誤差為±0.02 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(7)

d.由恒溫油槽溫度均勻性引入的標準不確定度分量u4(td)

經過測試，當升溫速率為1 ℃/min時，恒溫油槽的溫度均勻性不超過0.10 ℃，按均勻分布考慮，不確定度分量為

(8)

e.由升溫速率對動作溫度的影響引入的標準不確定度分量u5(td)

升溫速率對測量結果的影響主要是由于標準溫度計和被檢溫度計響應時間不一致引起的。通過試驗，在升溫速率1 ℃/min時，對動作溫度的影響不超過0.2 ℃，按正態分布考慮，不確定度分量為

(9)

f.開關掃描速率引入的不確定度u6(td)

按照程序設定，PLC完成1次開關狀態掃描耗時1 s，當升溫速率為1 ℃/min時，相鄰2個掃描周期溫度差值約為0.17 ℃，按照均勻分布，不確定度分量為

(10)

g.輸入量td的標準不確定度u(td)

各輸入量相互獨立，分量合成不確定度分量為

=0.25(℃)

(11)

2.3.2 輸入量ts的標準不確定度u(ts)

開關設定時，設定表盤的分度值為2 ℃，一般可以估計到1/10格，即0.2 ℃，按照均勻分布，不確定度分量為

(12)

2.4 合成標準不確定度

標準不確定度匯總表見表1。

合成標準不確定度計算為

(13)

2.5 擴展不確定度計算

取k=2，則擴展不確定度計算為

U=k×uc(Δt)=2×0.29≈0.6(℃)

(14)

3 結束語

通過對變壓器用油面溫控器溫度開關測量結果的不確定度評定可以看出，動態測量與穩態測量存在較大區別。升溫速率和掃描速率對不確定度的影響較大，在評定過程中應充分考慮。另外不同恒溫設備在升溫過程中溫場均勻性與穩態狀況下均勻性差別也較大，評定過程中需要通過試驗來確定升溫過程中溫場的均勻性。

表1 標準不確定度匯總表