短時過電流試驗設備的校準周期確定

王 晨，龐富寬，魏彤珈，韓 迪，李文文，汪 洋，崔文武

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

0 引言

國家試驗室嚴格按照國家檢定規程、校準規范等開展檢定、校準和檢測服務工作。為保證檢定/校準/檢測結果的準確性和有效性，以及本單位與外部權威機構所出具數據結論的一致性，必須配備符合相應檢定/校準/檢測規范的設備，并將設備定期溯源至國家認證機構[1-2]。

依據GB/T 17215.322-2008《交流電測量設備》短時過電流試驗技術要求，短時過電流試驗設備應用在各個試驗室，檢驗電能表需具備承受瞬時過電流的能力及安全性能[3-4]。校準短時過電流試驗設備屬于試驗室內部校準活動，目前無可參考的檢定規程和校準規范明確規定其校準周期。為保證設備連續、有計劃地按照校準的時間間隔開展校準工作，確認校準周期是試驗室設備管理非常重要的內容。如果校準周期設定過短，設備不會出現超差，但是會增加校準人員的工作量，影響其他工作的正常開展。相反，如果校準周期設定過長，設備容易出現器件燒壞等風險，影響電能表的檢測結論，甚至發生安全事故，損失慘重。因此，確定短時過電流設備的合理校準周期是試驗室管理的一項重要課題[5-7]。

通過參考JJF 1139-2005《計量器具檢定周期確定原則和方法》和CNAS-TRL-004：2017《測量設備校準周期的確定和調整方法指南》，運用具體算法，并且基于設備的工作原理、使用年限和頻次、試驗室環境、校準人員的專業能力及數量、歷次校準結果等，合理確定短時過電流試驗設備的校準周期，從而高效管理試驗室設備[8-9]。

1 短時過電流試驗設備介紹

將短時過電流試驗設備接入工作電源，預熱10 min后，根據升流器原理，調整自耦變壓器升壓整流，達到試驗標準要求的電流值后，向電容器組充電；受觸發電路控制，向經電流互感器接入式的電能表施加持續時間為0.5 s的20Imax(允許誤差為-10%～0)。試驗結束后，確認電能表功能和性能未降低、電能量信息和時間信息等未發生紊亂后，關閉設備電源。

2 短時過電流試驗設備的校準方法

按照經電流互感器接入式電能表最大電流(1.2 A和6 A)的規格，緩慢轉動旋鈕，使試驗設備輸出24 A和120 A的電流波形，并通過電流探頭傳送至數字示波器，最終測得電流值和持續時間。校準原理框圖如圖1所示[10]。

圖1 校準原理框圖

根據校準原理，校準短時過電流試驗設備的測量函數式為：

(1)

ΔT=T1-T標

(2)

式中：ΔI為電流的絕對誤差值;ΔT為電流持續時間的絕對誤差值，與試驗設備的屬性相關；I1、T1為數字示波器截取試驗設備輸出電流波形后，校準人員讀取的電流值和持續時間值；KI為電流探頭變比值；I標、T標分別為國家標準規定的電流值24 A、120 A以及持續時間0.5 s。

校準過程中存在系統效應和隨機效應，校準結果僅為估計值。測量不確定度直接關系到校準結果的準確性。依據JJF 1059.1-2012開展的測量不確定度評定主要受以下幾類因素影響，包括校準人員的專業能力及數量、試驗室的綜合環境、校準試驗設備的方法、試驗設備的準確度、設備多次試驗后的穩定性、重復試驗后試驗設備的可靠程度等。試驗室在國家標準規定范圍內，即溫度為(23±2)℃、濕度為(60±15)%。校準試驗設備的方法、設備多次試驗后的穩定性、重復試驗后試驗設備的可靠程度等是評定試驗設備校準結果不確定度的主要因素[11]。

經計算，取包含因子k=2，得出電流I絕對誤差對應的擴展不確定度為：

(3)

式中：U(ΔI)為電流I絕對誤差對應的擴展不確定度值；uC(ΔI)為電流I絕對誤差對應的合成標準不確定度值；uA(ΔI)為在同樣校準方法、校準人員不改變、試驗設備不移動位置等情況下，重復校準用統計分析方法得出的電流標準不確定度值；uB(I1)為參考數字示波器校準證書及輸出電流最大允許誤差值得出的電流標準不確定度值；uB(KI)為參考電流探頭校準證書，得出變比誤差、準確度的電流標準不確定度值。

同理，取包含因子k=2，持續時間T絕對誤差對應的擴展不確定度為：

(4)

式中：U(ΔT)為T絕對誤差對應的擴展不確定度值；uC(ΔT)為T絕對誤差對應的合成標準不確定度值；uA(ΔT)為在同樣校準方法、校準人員不改變、試驗設備不移動位置等情況下，重復校準用統計分析方法得出的持續時間標準不確定度值；uB(T1)為參考數字示波器校準證書及電流持續時間最大允許誤差值得出的持續時間標準不確定度值。

3 短時過電流試驗設備的校準周期確定方法

確定短時過電流試驗設備的合理校準周期，需要考慮試驗設備的使用年限及使用頻次、環境條件的影響、校準結果的不確定度、試驗設備的最大允許誤差、試驗設備技術升級改造等因素。短時過電流試驗設備固定放在某一個試驗室，如無特殊要求，不會改變位置，使用頻次較低。然而，電流探頭和數字示波器使用較頻繁，校準周期是1～2年，參考校準證書的測量不確定度滿足標準要求，使用期間未損壞，質量可靠。短時過電流試驗規定的技術參數不發生改變。若短時電流試驗規定的技術參數(如允許誤差限值)不發生改變，則試驗設備也不需要調整或變化。在未形成正式文件前，綜合以上因素考慮，設定短時過電流試驗設備的初始校準周期為2個月。

為減輕校準人員工作量、提高工作效率，需要調整試驗設備的校準周期。調整方法包括反應調整法、期間核查法和最大似然估計法。

3.1 反應調整法

反應調整法包括簡單反應調整法和增量反應調整法，是基于試驗設備的歷次校準結果調整其校準周期。該方法簡單并且方便應用，試驗室不再需要建立模型或預測未來的測量可靠性變化。增量反應調整法與簡單反應調整法相比，其優點在于可改善周期調整過程中偏離其“正確值”的負面影響因素。因此，以增量反應調整法確定試驗設備的合理校準周期的方法更適用。

3.2 期間核查法

期間核查法適用于試驗室配備核查標準，并且核查標準的準確度等級高于被核查設備的情況。試驗室可通過期間核查結果，決定是否校準被核查設備。試驗室無準確度等級高于短時過電流試驗設備的核查標準，因此該方法不適用于調整校準周期。

3.3 最大似然估計法

最大似然估計法是采用似然函數的概率分布函數，評估被測試驗設備超過最大允許誤差限值的情況。該方法需要建立數學模型并分析其大量數據，以確定被測試驗設備的檢定時間間隔。最大似然估計法的缺點是研究時間周期長，不能盡快形成試驗設備管理維護的正式文件，導致開展溯源工作極其不便。因此，本方法同樣不適用于調整校準周期。

通過分析簡單反應調整法、增量反應調整法、期間核查法、最大似然估計法，并比較其優缺點后，認為采用增量反應調整法調整校準周期較為恰當。

調整后的校準周期Im+1與調整前的校準周期Im的關系為：

Im+1=Im[1+Δm+1(-R)1-ym+1(R)ym+1]

(5)

所需調整的時間增量Δm+1與調整前的時間增量Δm的關系為：

(6)

式中：Im為第m次校準時的校準周期，m為校準周期的調整序號；Δm為第m次校準周期調整的時間增(減)量；R為測量可靠性目標，由各個試驗室自行設定，試驗設備的測量可靠性目標R≥90%；ym為計算因子，第m次校準結果滿足要求時ym=1，第m次校準結果不滿足要求時ym=0。

4 試驗結果分析

設定短時過電流試驗設備的初始校準周期I0為2個月，R為90%，其歷次校準結果如表1所示。表1中：K為擴展不確定度。

表1 校準結果

由表1可知，檢驗結果均滿足標準要求。使用增量反應調整法，根據式(5)、式(6)可得：

T1=T0[1+Δ1(-R)1-y1(R)y1] ≈4(月)

T2=T1[1+Δ2(-R)1-y2(R)y2] ≈8(月)

T3=T2[1+Δ3(-R)1-y3(R)y3] ≈16(月)

T4=T3[1+Δ4(-R)1-y4(R)y4] ≈31(月)

對短時過電流試驗設備開展4次校準工作，確認4次校準結果均滿足國家標準要求，試驗設備運行期間穩定無損壞。第4次校準工作結束后，確認校準時間間隔為31個月。依據CNAS-TRL-004：2017《測量設備校準周期的確定和調整方法指南》，明確規定試驗設備的校準周期不宜超過3年。針對校準周期較長的試驗設備，試驗室應通過有效的技術手段(例如：期間核查)確認試驗設備符合標準要求。短時過電流試驗設備在使用期間未發生過大修、更換等問題，校準時間間隔逐漸增長；但是隨著試驗設備長期運行，容易發生超差、器件老化、燒毀等問題，導致校準結果不符合規范要求，故不建議設定較長的校準周期。為保證試驗設備在使用過程中各項性能指標準確、可靠，除定期溯源外，如不增加校準人員的工作，不使用期間核查等其他技術核查試驗設備，建議將校準周期確定為2年。

5 結束語

綜上所述，基于校準短時過電流試驗設備的方法、試驗設備多次試驗后的穩定性、重復試驗后試驗設備的可靠程度及歷次校準結果，通過運用增量反應調整法，明確試驗設備的校準周期，保證溯源的持續高效進行。在確定校準周期過程中，如試驗設備未發生大修、更換等，校準人員按照校準周期溯源試驗設備，工作效率與之前相比較顯著提高;反之，試驗室應重新確定校準周期或加強期間核查等其他技術手段，確保試驗設備穩定可靠運行。