淺析耐電壓測試儀校準結果不確定度分析

楊躍武，卜祥強

（洛陽市質量計量檢測中心，河南洛陽 471000）

耐電壓測試儀是用于檢測和測試各種絕緣材料、電氣設備和絕緣結構等抗電性能的儀器。耐電壓測試儀是一種具有分辨率高、工作距離大、范圍廣等特性的高精度電壓測量儀器[1]。在實際生活中，人們都需要用到耐電壓測試儀，很多和電器相關的生產企業都要用到耐電壓測試儀進行耐壓測試。耐電壓測試儀是對這一類儀器總體性的名稱。在現實中，耐電壓測試儀有很多種類，按其功能耐電壓測試儀可以分為各種類型的儀器，例如耐壓測試儀、高壓測試儀、高壓擊穿器等，其主要功能是檢驗和測試各種電器設備的耐電壓和各種性能，通過檢測為電器設備的正常使用奠定了堅實的基礎[2]。在實際的測試過程中，耐電壓測試儀主要包括的測試內容有交流耐壓、擊穿報警預置電流、直流耐壓、輸出電壓的持續時間和泄漏電流等。

耐電壓測試儀可以檢測絕緣材料在工作中對電壓的耐受能力，檢驗產品的質量問題，從而發現問題，解決產品低概率的損傷問題，提高產品質量。耐電壓測試儀的測量結果對電器設備的安全有非常大的影響，在實際測量中經常用測量誤差來表示，按照規程規定，一般用相對誤差來表示[3]。

對于耐電壓測試儀校準結果的不確定度分析，很多對不確定度的來源分析不全面，方法不科學。該文在大量檢測實驗的基礎上，全面分析了耐電壓測試儀不確定度的來源，并分別用A 類和B 類不確定度評定了標準不確定度分量，計算了合成標準不確定度和擴展不確定度，計算出耐電壓測試儀在交流1 kV 時的擴展不確定度為0.011 kV，并對測量結果進行了分析。

1 測量過程

1.1 測量原理

在進行校準開展前，有必要了解耐電壓的測量原理。耐電壓測試儀輸出的高壓通過耐電壓測試儀校驗儀以后，耐電壓測試儀輸出的電流通過電阻進行采樣，這樣就轉變為容易測量的電壓信號，對電壓信號進行信號處理和采樣，然后對處理過的信號進行信號保持，并送到A/D 進行模數轉換。耐電壓測試儀校驗儀內部的數字信號處理器對讀取的數字進行計算和處理[4]。然后通過耐電壓測試儀校驗儀面板顯示數據，獲得測量結果[5]。測量原理如圖1 所示。

圖1 原理框圖

1.2 測量標準

耐電壓測試儀校驗儀精度為0.5%級，可對耐壓測試儀校準裝置進行最高精度等級為2 級的校驗。耐電壓測試儀校驗儀的交直流電壓準確度為±（示值的0.5%+2 個字）。適用于最高輸出為15 kV 的耐電壓測試儀,該耐電壓測試儀校驗儀可以對耐壓測試儀進行首次檢定、后續檢定和使用中檢定。而且，它還可以當作標準高壓表來使用，進行高壓測量。同時，也可以當作精密測量范圍為0.5～15 kV 交直流電壓的標準高壓表或電流表來使用。除了測量電壓和電流外，耐電壓測試儀校驗儀可以自動測量耐電壓測試儀的交直流輸出電壓有效值。在實際使用中，選擇合理的電阻箱，可以用來測量直流擊穿報警電流有效值，值得注意的是，在選擇電阻大小時，要留意電流的大小，電流不能超過電阻所允許的最大電流，測量不同的電流時要選擇相應的電阻，以免損壞電阻，導致測量失敗。

1.3 被校耐電壓測試儀

被校耐電壓測試儀準確度等級為3 級，測試電壓范圍為0.200～5.000 kV，步幅為10 V，分辨力為10 V，輸出精度為±（3%的設定值+10 V）。

1.4 測量方法

在測量前，要保證可靠接地，將耐電壓測試儀校驗儀接通電源（220 V）。按下耐電壓測試儀校驗儀的電源開關，耐電壓測試儀校驗儀開機以后自動進入自檢狀態，如果自檢成功后顯示成功狀態，即可進行校準。為了保證測量的穩定性和精度，讓耐電壓測試儀校驗儀內各單元工作在最佳穩定狀態，耐電壓測試儀校驗儀在開機后運行10 min 左右再進行校準測量。為了保證自檢的準確性，在測量沒有開始之前，耐電壓測試儀校驗儀進行自檢以前應該斷開其連接線，一般是有三個連接線，分別是高壓輸入端、電流、回路測量，待自檢成功后，在接入這三個連接線[6]。自檢結束后，根據自檢結果進行后續操作，如果自檢成功將自動進入檢測界面，如果自檢不成功，會出現提示自檢失敗，將故障排除后，重新進行開機自檢進入檢測模式[7]。

2 測量模型

耐電壓測試儀輸出電壓的測量模型用式（1）表示：

式中，Δ 表示被校耐電壓測試儀輸出電壓示值誤差，單位為V；a1表示被校耐電壓測試儀輸出電壓示值，單位為V；a2表示耐電壓測試儀校準裝置測量電壓值，單位為V；由于輸入量a1、a2獨立[8]，則有：

3 標準不確定度評定

3.1 由耐電壓測試儀重復性引入的測量不確定度u1

耐電壓測試儀校準裝置輸出交流電壓1 kV，用耐電壓測試儀校準裝置按圖2 的連接方法進行測量。按照1.4 節的測量方法耐電壓測試儀校準裝置啟動后進入測量頁面，等待測量[9]。耐電壓測試儀的高壓端子同耐電壓測試儀校準裝置的高壓輸入端相連，耐電壓測試儀的低端與耐電壓測試儀校準裝置的公共回路端相連[10]。根據耐電壓測試儀類型，耐電壓測試儀校準裝置選擇交流或者直流測量。因為耐電壓測試儀輸出的是高壓，在測試過程中，嚴禁觸碰高壓端子，以免產生危險，若測量過程有意外情況，應第一時間切斷電源[11]。所有線連接好以后，按下耐電壓測試儀的啟動按鈕，慢慢扭動耐電壓測試儀的電壓調節器，緩慢升壓至1 kV，此時記錄耐電壓測試儀校準裝置顯示的電壓值[12]。

圖2 耐電壓測試儀測量連接方法

耐電壓測試儀通過測量的重復性進行標準不確定度的評定，按照A 類方法進行評定[13]。

按照以上方法，對耐電壓測試儀交流電壓1 kV點在相同條件下重復測量10 次，測量結果如表1 所示[14]。重復性測量只有在相同的條件下，才能更好地確定示值的誤差[15]。

表1 耐電壓測試儀重復性測量數據

3.2 由耐電壓測試儀校準裝置的最大允許誤差引入的不確定度u2

通過查閱耐電壓測試儀校準裝置說明書可知耐電壓測試儀校準裝置在1 kV 時的最大允許誤差為示值的±0.5%+2 個字，所以可以算出在1 kV 時的最大允許誤差為×0.5%+0.001 kV×2 ≈0.007 kV，按均勻分布考慮，故由耐電壓測試儀校準裝置的最大允許誤差引入的不確定度分量為：

3.3 由被校耐電壓測試儀的分辨力引入的測量不確定度u3

通過查閱被校耐電壓測試儀說明書可知，被校耐電壓測試儀電壓輸出分辨力為0.01 kV，按均勻分布考慮，包含因子。若數字顯示器的分辨力為λ，由分辨力導致的標準不確定度分量采用B 類評定，則區間半寬度，因此有:

3.4 上級法定計量檢定機構校準引入的測量不確定度u4

通過查看上級法定計量檢定機構出具的校準證書可知，在1 kV 時給出的不確定度為urel=5×10-3，k=2，因此：

4 合成標準不確定度與擴展不確定度

4.1 合成標準不確定度計算

合成標準不確定度即合成標準測量不確定度,是指由在一個測量模型中各輸入量的標準測量不確定度獲得的輸出量的標準測量不確定度。

合成標準不確定度指當測量結果是由若干其他量的值求得時，按其他各量的方差和協方差算得的標準不確定度[16]。

通過以上計算，對耐電壓測試儀的不確定度來源進行了全面分析，如表2 所示。

表2 測量不確定來源

在測量不確定度評定時，如果計算結果顯示重復性引入的不確定度分量小于被耐電壓測試儀的分辨力所引入的不確定度分量，應當用分辨力引入的不確定度分量代替重復性所引入的不確定度分量，也就是說應當舍棄重復性引入的不確定分量，只保留由分辨力引入的不確定度分量。根據上文的計算顯示，舍去重復性引入的不確定分量。

由于以上各項標準不確定度分量是互不相關的，所以輸出電壓的合成標準不確定度為：

4.2 擴展不確定度計算

通常取置信概率[17]p=95%，k=2，因此有：

4.3 校準和測試能力分析

通過以上分析計算可知，耐電壓測試儀輸出交流電壓在1 kV時的示值誤差校準結果為：U=0.01 kV，k=2。

5 結束語

該文通過對耐電壓測試儀的介紹，結合大量的測量工作，將在實際工作中遇到的問題進行總結分析，詳細敘述了耐電壓測試儀校準過程，全面分析了耐電壓測試儀不確定度的來源，評定了標準不確定度分量，計算了合成標準不確定度，最后計算了擴展不確定度，計算出了耐電壓測試儀在交流1 kV 時的擴展不確定度為0.011 kV，并對測量結果進行了分析。通過分析耐電壓測試儀的不確定度，便于使用它的人評定其可靠性，另一方面也增強了測量結果之間的可比性，在以后的校準過程中對測量結果有指導意義。