防雷安全測量結(jié)果不確定度評定

楊 磊，王百朋，強玉華

(1.麗水市氣象局，浙江麗水 323000；2.陜西省防雷中心，西安 710014)

楊磊，王百朋，強玉華.防雷安全測量結(jié)果不確定度評定[J].陜西氣象，2017(5)：34-37.

1006-4354(2017)05-0034-04

2017-01-16

楊磊(1982—)，男，漢族，湖北十堰人，碩士，工程師，從事防雷檢測、技術(shù)評價、質(zhì)量管理等工作。

麗水市高層次人才培養(yǎng)資助項目“基于區(qū)域氣候模式的麗水生態(tài)氣候變化預測”(2014RC24)

防雷安全測量結(jié)果不確定度評定

楊 磊1，王百朋2，強玉華1

(1.麗水市氣象局，浙江麗水 323000；2.陜西省防雷中心，西安 710014)

為了提升和規(guī)范防雷檢測，確保檢測報告的公正、準確，有必要對防雷接地電阻測量結(jié)果進行不確定度評定。接地電阻的測量不確定度主要來自設備的精準度、分辨力和測量重復性，同時加長線線阻的測量、土壤電阻率的測量也是不確定度的主要來源。選用適合防雷行業(yè)的測量不確定度評定模型,結(jié)合實例分析了防雷接地電阻的A類評定、B類評定、合成不確定度和擴展不確定度，結(jié)合評定結(jié)果說明了檢測不確定度評定的重要性和必要性。

防雷測量；不確定度；評定

防雷安全檢測是根據(jù)建筑物、設施的防雷設計要求，對防雷裝置進行的檢查、測量、信息綜合分析處理的過程。測量的數(shù)據(jù)主要包括接地電阻值、土壤電阻率等。防雷接地電阻值作為重要的測量數(shù)據(jù)，檢測報告中通常僅給出測量值，并沒有考慮測量結(jié)果的不確定度。如果防雷接地電阻的測量值處于國標判定值附近，那么測量值的不確定度將對檢測結(jié)論是否符合標準要求產(chǎn)生重要影響。因此,有必要對防雷接地電阻測量結(jié)果進行不確定度評定，計算不確定度并在檢測報告中給出，確保報告的科學、規(guī)范、準確。

1 測量不確定度評定方法

1.1 不確定度來源

可依據(jù)JJG366—2004《接地電阻表檢定規(guī)程》和JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》中規(guī)定的方法對接地電阻儀進行校準，并對接地電阻值進行不確定度分析。采用工頻接地電阻測量儀，通過三級法[1]測量工頻接地電阻值。接地電阻測量結(jié)果的不確定度來源[2-3]主要有如下幾個方面。(1)測量人員未按作業(yè)規(guī)程布置輔助樁位，在下雨或凍土天氣、有地電位干擾、地下有金屬物的干擾環(huán)境下測量；(2)測量儀器自身的分辨率、精確度、穩(wěn)定性等計量特性；(3)被測量樣品選取不當，如表面有防銹漆或有銹蝕，沒有清除表變覆蓋物可能造成較大的測量誤差；(4)對測量數(shù)據(jù)進行修正和換算時引入的不確定度，如需要減掉測量加長線線阻時，線阻的測量引入的誤差，或需要將工頻接地電阻換算為沖擊接地電阻時引入的誤差。在確定適合的測量環(huán)境、良好人員素質(zhì)和測量方法、流程，固定的測量樣品等測量條件下，影響接地電阻測量不確定度的主要來源為三個方面:儀器自身的不確定度、修正加長線線阻引入的不確定度、工頻換算為沖擊電阻引入的不確定度。

1.2 測量數(shù)學模型

接地電阻測量的真實值用被測量Y表示，Y的估計值為y,y的標準不確定度u(y)取決于各測量輸入量x1，x2，…… ,xn的標準不確定度u(x1)，u(x2)，……，u(xn)。不確定度關(guān)系式[4-5]為

(1)

接地電阻R與測試電壓V和測試電流I的測量函數(shù)可表示為：R=f(V,I)，即R=V/I，三者對應的不確定度分別表示為uR、uV、uI，根據(jù)公式(1)求偏導數(shù)，接地電阻R的不確定度uR計算公式為

(2)

如有其他新增引入的標準不確定分量，用u(zi)表示，那么測量不確定度uR改寫為

(3)

1.3 不確定度評定

接地電阻R的不確定度取決于uV和uI，應首先對uV和uI進行評定，如有其他新引入的不確定分量，也應一并進行分析。評定V和I的標準不確定度方法又可分為A類和B類。

1.3.1 A類不確定度評定 測量值x的標準不確定度主要來源是測量重復性。在對同一被測量重復測量n次，其中某次測量值xi的標準偏差S(x)可由貝塞爾公式[6]給出

(4)

對于m組測量數(shù)據(jù)，如果每組測量次數(shù)相同，均為n次，進行m組測量的合并標準偏差計算式為

(5)

(6)

按公式(4)計算的標準偏差，其自由度[6]為v=n-1，按式(5)計算的標準偏差，其自由度v=m(n-1)。

(7)

區(qū)間半寬度a可由儀器說明書、儀器的校準或鑒定證書等信息中獲取，置信因子t值可查表[7]得出。在進行B類評定時，自由度[9]可近似表示為

(8)

1.3.3 合成標準不確定度 合成標準不確定度uC由影響不確定度的各個分量組成，ui為合成標準不確定度的各分量，當由A類和B類標準不確定度組成時[10]，則

(9)

1.3.4 擴展不確定度 擴展不確定度是被測量可能值所包含區(qū)間的半寬度，如果要求擴展不確定度所確定的區(qū)間具有接近于規(guī)定的包含概率P時，擴展不確定度表示為UP，當P為95%或99%時，可表示為U95和U99。

UP=kPuC

(10)

在計算UP時候，應給出有效的自由度veff，veff可按下式計算[11-12]

(11)

kP是概率為某一值時的包含因子。已知自由度veff和概率，可通過查表[11-12]得出kP。

2 測量結(jié)果不確定度評定

測量接地電阻時，選擇同一建筑物的接閃器、引下線、地網(wǎng)接地預留點作為樣品測點。在確定電壓探測極和電流探測極的位置后不再調(diào)整探極位置，采用同一條加長線作為測試連接線，分別對三組樣品各自進行3次測量，記錄測量的電壓值和電阻值并計算電流值。利用接地測試儀測量加長線的線阻3次。利用土壤電阻率測試儀測量所處位置的土壤電阻率，根據(jù)公式ρ=2πRE計算沖擊接地電阻RE值。

2.1A類和B類不確定度評定

將測量數(shù)據(jù)帶入公式(4)分別計算接閃器、引下線、接地網(wǎng)的標準偏差s(x)，并利用公式(5)計算各參數(shù)的合并標準偏差sP(x)。通過標準偏差和合并標準偏差由公式6計算A類不確定度uA，并計算自由度。具體結(jié)果見表1。

表1 各參數(shù)對應的A類不確定度

對于B類不確定度評定，一方面是由儀器的最大允許誤差給出，通過公式(7)可計算儀器自身引入的B類不確定度uB1。另一方面，由儀器可讀性引入的不確定度，與儀器分辨力有關(guān)，通過公式(7)可得出儀器可讀性引可入的B類不確定度uB2。B類評定的自由度由公式(8)給出。各參數(shù)對應的B類評定見表2。

2.2 合成不確定度評定

合成不確定度可按以下兩種方法計算得出：一是將A類和B類評定的數(shù)據(jù)代入公式(9)計算合成不確定度uR1，二是將測量的電壓值和根據(jù)計算得出的電流值代入公式3計算合成不確定度uR2。對應的自由度veff1和veff2根據(jù)公式(11)算出。

實際檢測中，利用加長線來測量接地電阻，也會通過測量土壤電阻率進行沖擊接地電阻的換算。為了進行比較，分別計算僅由電阻值引入的合成不確定度；考慮電阻值和線阻引入的合成不確定度；考慮電阻值、線阻及電阻率綜合引入的合成不確定度，具體見表3。

2.3 擴展不確定度評定

通過計算接地電阻值的擴展不確定度，可以反映接地電阻值所分布的區(qū)間，以及電阻值數(shù)據(jù)的不確定大小。根據(jù)表3中計算的自由度veff，取置信概率P為95%，通過查表可得到包含因子kP，由公式(10)可計算考慮電阻值、線阻、電阻率在不同組合情況下的擴展不確定度(表4)。

表2 各參數(shù)對應的B類不確定度

表3 合成不確定度評定

表4 擴展不確定度評定表

2.4 測量不確定度報告

若根據(jù)儀器示值給出的接地電阻進行不確定度評定，在考慮電阻、線阻、電阻率綜合引入的不確定度時，擴展不確定度UR1=0.31，那么R1=(4.62-0.75)/E±0.31 Ω，包含因子kP1=2.04，自由度veff1=28.1。若基礎(chǔ)地網(wǎng)換算系數(shù)E=1，不考慮測量電阻率引入的不確定度，電阻值為R1=3.87±0.26 Ω。若要求R1≤4 Ω，那么該測量對象的電阻值是存在不符合要求的風險。如果按照R=V/I導出測量不確定度函數(shù)來評定不確定度，在考慮電阻、線阻、電阻率綜合引入的不確定度時，擴展不確定度UR2=0.30，那么R2=(4.62-0.75)/E±0.30 Ω，包含因子kP2=1.96，自由度veff2為∞。若基礎(chǔ)地網(wǎng)換算系數(shù)E=1，不考慮測量電阻率引入的不確定度，電阻值為R2=3.87±0.25 Ω。若要求R2≤4 Ω，同樣存在不符合要求的風險。因此，檢測不確定評定十分必要和重要。

任何測量數(shù)據(jù)都存在誤差和不確定性，真實數(shù)據(jù)無法確定。但是可以通過測量的不確定度評定，來反映測量數(shù)據(jù)分布的區(qū)間。在出具防雷裝置檢測報告時，可將表1～表4中的數(shù)據(jù)以附表的形式在檢測報告中給出。通過測量結(jié)果的不確定數(shù)據(jù)可以直觀的反映接地電阻的分布區(qū)間，測量結(jié)果就令人信服。

3 結(jié)論

(1)防雷接地電阻的檢測不確定度主要來自設備的最大允許誤差引入的不確定度、設備的分辨力引入的可讀性不確定度、儀器的測量重復性引入的不確定度。使用加長線時，需考慮測量加長線線阻引入的不確定度；如進行沖擊電阻換算時，需考慮測量土壤電阻率引入的不確定度。

(2)通過測量的不確定度評定，來反映測量數(shù)

據(jù)分布的區(qū)間。對防雷接地電阻進行不確定度評定十分必要和重要。

(3)在檢測報告編制程序中，應該建立不確定度程序，并對測量結(jié)果的不確定度進行評定，將不確定數(shù)據(jù)在檢測報告中給出。特別是測量結(jié)果接近標準判定值附近時，給出不確定度既能體現(xiàn)檢測的科學水準，又能有效的降低和規(guī)避實驗室測量不確定度帶來的風險。

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