標(biāo)準(zhǔn)電能表檢定裝置小電流工況下的準(zhǔn)確度分析

吳劍芳，黃恒孜，李亦龍，鄒成伍，肖 濤

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

電能表作為電能計量的主要器具，其準(zhǔn)確度是每個用戶極為關(guān)注的問題，現(xiàn)行電子式電能表主要包括有功電能表、無功電能表、多費率電能表、多功能電能表、最大需量電能表和標(biāo)準(zhǔn)電能表[1－2]。其中，標(biāo)準(zhǔn)電能表一般作為電能表檢定裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器，在整個電能計量量值傳遞及溯源體系中具有舉足輕重的作用。標(biāo)準(zhǔn)電能表是電能計量體系中量值溯源和量值傳遞的中間媒介[3－4]，主要具有測量準(zhǔn)確度高、功能強、測量范圍廣等特點。由于其準(zhǔn)確度高這一特點，對標(biāo)準(zhǔn)電能表的檢定裝置就提出了比較高的要求。另外，在OMIL（國際法制計量組織）技術(shù)委員會組織起草的電能表國際建議IR46中取消了基本電流Ib與額定電流In的定義，取而代之的是最大電流Imax、最小電流Imin、過渡電流Itr和起動電流Ist，將電能表等級重新劃分為A，B，C，D，以4個電流劃分電能表的最大允許誤差，并明確要求對0.2S級的3×0.3（1.2）A電能表在3 mA時的電能準(zhǔn)確度進行檢定。與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比，有關(guān)小電流輸出的要求更為嚴(yán)格。實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，同一測量人員使用相同等級的裝置對同一標(biāo)準(zhǔn)表進行測量，覆蓋電流范圍0.005～100 A，當(dāng)電流小于10 mA時，某些裝置的測量準(zhǔn)確度較低。

從三相電能表檢定裝置在小電流工況下的情況著手，采用德國ZERA公司MTS320穩(wěn)定源，配置1臺0.01級COM3003標(biāo)準(zhǔn)電能表構(gòu)成1套三相電能表檢定裝置，選擇合適的測量方法與現(xiàn)有2套國內(nèi)同等級不同廠家生產(chǎn)的檢定裝置（裝置A，裝置B）進行對比分析，通過實際數(shù)據(jù)說明MTS320檢定裝置的應(yīng)用效果，證明該裝置的準(zhǔn)確性與實用性。

1 測量方法

三相標(biāo)準(zhǔn)電能表的檢定常通過標(biāo)準(zhǔn)表法來實現(xiàn)。以標(biāo)準(zhǔn)電能表作為裝置主標(biāo)準(zhǔn)器，同時用于其輸出電壓、電流、頻率的監(jiān)視和反饋。將標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表同時測定的電能值進行比較，從而確定被檢表的相對誤差[4－5]。其原理如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法原理框

數(shù)學(xué)模型：

式中：γ為被檢表相對誤差；W為被檢電能表輸出電能值；W0為標(biāo)準(zhǔn)電能表輸出電能值。

2 實例分析

以1只具有良好穩(wěn)定性，準(zhǔn)確度等級為0.01級的三相標(biāo)準(zhǔn)電能表作為被試品，分別用現(xiàn)有的三相電能表檢定裝置（裝置A，裝置B）及MTS320對該被試品進行測試，著重考察小電流（10 mA及以下）工況下，將同一塊標(biāo)準(zhǔn)表的誤差測試數(shù)據(jù)與該標(biāo)準(zhǔn)表送上級機構(gòu)的量傳數(shù)據(jù)進行比較分析，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中，MTS320的測試數(shù)據(jù)與上級機構(gòu)差值較小。裝置A和裝置B的測試數(shù)據(jù)，尤其是在功率因數(shù)不為1.0時，相差較大。以三相不平衡負(fù)載220 V，5 mA，功率因數(shù)為0.5C時為例，此時裝置A的測試值與上級機構(gòu)量傳值相差0.021，裝置B相差0.043，差值較大。

表1 小電流工況下測試數(shù)據(jù)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，裝置A與MTS320在小電流工況下，都是由裝置直接輸出穩(wěn)定的小電流給被試品，而裝置B則是輸出5 A電流然后經(jīng)分流器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)小電流輸出到被試品，因此分流器又會產(chǎn)生額外的附加誤差。

但裝置A雖然能直接輸出較穩(wěn)定的小電流，沒有分流器產(chǎn)生的附加誤差，在小電流時的誤差測試值與上級機構(gòu)的量傳值也比裝置B稍小，但其對被試品進行小電流測試時，采樣速度慢，測試時間大約是MTS320的4倍。

計量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性是指在相同測量條件下，重復(fù)測同一個被測量，提供相近示值的能力，通常用測量結(jié)果的分散性來定量地表示，即用單次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差s（yi）來表示。用上級機構(gòu)1臺0.01級的RD－33三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表對3臺裝置在三相平衡負(fù)載小電流下進行量傳，如表2所示，其中s是指測量結(jié)果的實驗標(biāo)準(zhǔn)差。

對比3組數(shù)據(jù)，在小電流工況下，裝置A和裝置B的實驗標(biāo)準(zhǔn)差都較MTS320大，尤其裝置B的實驗標(biāo)準(zhǔn)差較大。其中，裝置B在三相平衡負(fù)載220 V，5 mA，功率因數(shù)為1.0時，實驗標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 24%，而MTS320在這點的實驗標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.000 06%，根據(jù)重復(fù)性的定義，說明MTS320在相同測量條件下，重復(fù)測量同一個被測量，提供相近示值的能力比另外2臺裝置要好。

裝置A和裝置B在小電流時，由于采樣準(zhǔn)確度不夠，再加上自身結(jié)構(gòu)的問題，測得的誤差值變化較大，實驗標(biāo)準(zhǔn)差較大。以裝置B在220 V，0.005 A，功率因數(shù)為1.0，平衡負(fù)載時為例，測定的10次誤差值中誤差最大值為+0.006 7%，最小值為－0.006 8%，誤差算術(shù)平均值為－0.001 1%，修約后誤差值為－0.001%，并不能反映被試品誤差的真實情況。

前文已經(jīng)提到，小電流時裝置B是通過分流器轉(zhuǎn)換，而裝置A和MTS320是向被試品直接輸出穩(wěn)定的5 mA電流。其中，輸出功率穩(wěn)定度是電能表檢定裝置的重要技術(shù)指標(biāo)之一[6－7]，為了對裝置的功率輸出進行分析，以下對小電流下裝置的輸出功率穩(wěn)定度進行評定。

3 輸出功率穩(wěn)定度評定

采用簡易峰—峰值評定法[8]對裝置進行輸出功率穩(wěn)定度評定。研究表明，在時限T內(nèi)的平均功率為：

表2 小電流工況下上級機構(gòu)對3臺裝置的量傳值

式中：Pmax為在觀測時限內(nèi)功率最大值；Pmin為觀測時限內(nèi)功率最小值。功率的最大變化范圍ΔP=（Pmax－Pmin）， 由此推導(dǎo)出功率穩(wěn)定度 rp為：

在進行功率穩(wěn)定度的測定時，每隔1～1.5 s采集1次數(shù)據(jù)，因此在2 min內(nèi)至少能得到80個數(shù)據(jù)，并且要求的功率變化程度通常要小于0.5%。因此，最初調(diào)定的功率也就是首次功率讀數(shù)為：

所以：

在規(guī)定的參比條件下，對3臺裝置分別施加3×220 V，3×5 A，PF=1.0的電壓電流，進行不少于2 h的預(yù)熱后，再給裝置施加3×220 V，3×5 mA，PF=1.0的電壓電流，用1臺精度為0.01級的RD－33三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表每隔1 s采集1次數(shù)據(jù)，共采集100個數(shù)據(jù)，然后用簡易峰—峰值的方法對裝置進行功率穩(wěn)定度評定。圖2所示為數(shù)據(jù)的輸出功率散點。

圖2 輸出功率散點

將數(shù)據(jù)代入公式（5），通過計算，得到裝置A在小電流時的輸出功率穩(wěn)定度為0.017 2%，裝置B為0.011 2%，MTS320為0.0010%。裝置A和裝置B的輸出功率穩(wěn)定度與MTS320相差整整一個數(shù)量級。由此可見，當(dāng)采用小電流輸出時，裝置A和裝置B的輸出功率穩(wěn)定度明顯劣于MTS320，這也導(dǎo)致了在日常檢定工作中，采用小電流輸出時，出現(xiàn)誤差變化范圍大，裝置重復(fù)性大，輸出結(jié)果準(zhǔn)確度低的情況。

4 結(jié)語

通過對3臺裝置在小電流工況下對標(biāo)準(zhǔn)表的檢定以及采用簡易峰—峰值評定法對輸出功率穩(wěn)定度進行評定，發(fā)現(xiàn)MTS320在小電流工況下，能準(zhǔn)確測試出被試品的基本誤差，更能適應(yīng)IR46電能表國際建議的要求。現(xiàn)有國內(nèi)網(wǎng)省級標(biāo)準(zhǔn)主流配置是進口標(biāo)準(zhǔn)表與國產(chǎn)功率源的組合，但由于國產(chǎn)功率源在小電流下，輸出功率穩(wěn)定度較差，測量重復(fù)性較大，不能滿足量值傳遞的需要，應(yīng)進一步提升。計量是科技、工業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，而標(biāo)準(zhǔn)表作為居民用電能表檢定的標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)表檢定的準(zhǔn)確度更是值得關(guān)注[9－10]。新裝置的投用，對標(biāo)準(zhǔn)表的檢定、準(zhǔn)確度修正，尤其是小電流下的檢定，有更好的保障。

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