新型變壓比電橋檢定儀校準方法研究及不確定度評定

王永興，劉 罡，姜春陽

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

變壓比電橋為測量電力變壓器變比誤差的關鍵設備之一，其誤差準確與否對區域內電力生產、電能計量、貿易結算及科學研究均有著重要影響。長期以來，其溯源方式為送檢至各省級計量院或中國計量科學研究院，該方式不僅需要花費大量溯源費用，更存在因長途運輸帶來的設備失準、損壞等隱患。近年來，隨著工頻電壓比例標準及多盤感應分壓器應用技術成熟，研制一套以感應分壓器原理為基礎的新型TR-I 型變壓比電橋檢定儀，可實現在實驗室內部對各類型變壓比電橋進行校準。

1 TR-I 型變壓比電橋檢定儀結構與原理

TR-I 型變壓比電橋檢定儀結構如圖1 所示，主要由分接盤、分壓盤和接線端子組成。分接盤位于TR-I 型變壓比電橋檢定儀（以下簡稱檢定儀）左上側，主要用于測量具有分接頭測量功能的變壓比電橋。分壓盤位于檢定儀中部，依據八盤感應分壓器原理設計而成，用于測量變壓比電橋的變比K。接線端子分為高壓側和低壓側兩部分，分別接變壓比電橋的高壓側和低壓側［1-2］。

圖1 TR-I 型變壓比電橋檢定儀結構

2 變比示值校準

變比示值校準采用單相（AB 相）校準方法，校準線路如圖2 所示。檢定儀高壓側A-X 與變壓比電橋高壓側AO-B 相連，檢定儀低壓側ao-x 與變壓比電橋低壓側ao-b 相連。將變壓比電橋連接組開關置于“0”或“12”，誤差盤置于“0”，指零儀靈敏度調節旋鈕調至最小。接通電源預熱10 min 以上［3］，然后將指零儀靈敏度調節旋鈕調至最大，同時調節指零儀零位調節旋鈕，進行零位平衡。平穩地升起電壓至規定值，對于每個被檢定點，調節變比標準器示值，使指零儀重新指零，該點的示值相對誤差為

式中：δx為變壓比電橋被檢定點的相對誤差；Kn為檢定儀變比示值 （標準變比值）；Kx為變壓比電橋變比測量盤的指示值。

圖2 變壓比電橋校準線路

變壓比電橋常用變比范圍為1～100，故檢定儀設定的值范圍為1～100。采用N9 選點法［1］，以檢定儀為主標準器，變壓比電橋為被檢設備，得到被檢電壓比電橋的變比示值誤差如表1 所示。由表1可到，最大變比誤差為-0.06%。被檢變壓比電橋準確度等級為0.2 級，依據JJG 970—2002《變壓比電橋檢定規程》規定［3］，0.2 級變壓比電橋最大允許誤差為±0.2%，故該變壓比電橋變比示值誤差合格。

3 標準偏差校準

選出被檢電橋變比示值誤差最大點作為被檢定點，在其他條件都不變的情況下，反復轉動被檢電橋變比測量盤，重復測量5 次以上［4］，計算被檢電橋的標準偏差為

式中：S 為被檢電橋的標準偏差；n 為測量次數；xi為第i 次檢定實際值；x 為n 次檢定實際值的平均值。

表1 變比示值誤差

由表1 可知，在變比標準值為1 時變比示值誤差最大，故對該變比值進行重復性測量5 次，得到標準偏差如表2 所示。Ui為5 次檢定中每次測量值與平均值的差值的平方。由于該值為最大變比誤差值時的標準偏差，故可認為是變壓比電橋的最大標準偏差。依據JJF 1094—2002《測量儀器特性評定》規定，最大標準偏差應小于最大允許誤差。將表2 數據代入式（2）計算可得標準偏差S 為0.011%，0.2 級變壓比電橋最大允許誤差為±0.2%，故該變壓比電橋標準偏差值合格。標準偏差S 可用于不確定評定過程中測量重復性引入的分量。

表2 標準偏差校準試驗數據

4 不確定度評定

依據JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評定與表示校準規范》和JJJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規程》要求，結合多盤感應分壓器不確定度評定方法，變壓比電橋不確定度評定可從測量重復性、上級標準器、被檢電橋誤差修約化整3 方面分析［5］。

4.1 測量重復性

測量重復性引入的不確定主要由環境電磁場變化、變壓比電橋接觸電阻變化等引起，因此需要進行不少于5 次的獨立測量［6］。對該0.2 級變壓比電橋在變比為1，Yd11 接線下進行5 次獨立測量，其標準偏差為S，由上文得到測量重復性引入的不確定度u1=S=1.1×10-4。

4.2 上級標準器

上級標準器為TR-I 型變壓比電橋檢定儀，其準確度等級為0.01 級，根據JJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規程》要求，上級標準器引入的不確定度應不大于其最大允許誤差。0.01 級變壓比電橋檢定儀最大允許比值誤差為1×10-4，故上級標準器引入的不確定度u2=1×10-4。

4.3 被檢電橋誤差修約化整

被檢電橋準確度等級為0.2 級，其最大允許誤差為±0.2%，根據JJG 970—2002 《變壓比電橋檢定規程》要求，誤差修約化整ε 通常按照其最大允許誤差的1/10 計算，即ε=0.2%×1／10=0.02%。由修約化整引入的不確定分量可視為均勻分布，故其引入的不確定度，經計算修約化整引入的不確定度。

4.4 合成標準不確定度及擴展不確定度

合成標準不確定度由上述3 個不確定度分量合成得到，由于各不確定度分量互不相關，故合成標準不確定度uc為

經計算uc=1.91×10-4。

擴展不確定度U 采用進一制，按照合成標準不確定度乘以包含因子k 計算。通常取k=2，得到擴展不確定度比值誤差U=3.9×10-4。

5 不確定度驗證

為驗證該變壓比電橋在實驗室校準結果，將其送往最高標準檢定機構進行驗證。對變比為10，Yd11 接線下進行校準，并與本實驗室校準結果進行比較。本實驗室校準結果y 為2×10-4，上級標準校準結果y0為1×10-4，兩者的差值為1×10-4。

6 結語

依據多盤感應分壓器測量原理研制一套變壓比電橋檢定儀，在實驗室內部完成對變壓比電橋校準。從變比示值和標準偏差2 個方面給出了變壓比電橋的誤差結果。從測量重復性、上級標準器和被檢電橋3 個方面對變壓器電橋進行了不確定度評定并計算了合成標準不確定度和擴展不確定度。最后給出不確定度驗證，證明校準結果符合要求。

因篇幅所限，不確定度評定僅給出變比值為10，Yd11 接線下不確定度評定結果。實際校準時須給出所有常用變比和全部接線方式下校準結果。實驗室內部校準方法與傳統溯源至省級計量院或中國計量科學研究院相比存在測量數據較多、計算繁瑣等缺點，但可避免標準設備長距離溯源造成設備損壞等隱患。故采用何種溯源方式須由本單位結合實際情況施行。