耐壓測試儀校準結果不確定度分析

蔣佳佳 張黎輝

（1.嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314000； 2.陜西省計量科學研究院 西安 710065）

引言

耐壓測試儀的功能，一般在被測設備的非帶電部分（一般是外殼）和帶電部分之間施加規(guī)定交流或直流高壓，并保持一段規(guī)定的時間，如果加載高壓的兩端的絕緣性足夠好，加在被測設備上的電壓就只會產(chǎn)生很小的泄漏電流。如果一個被測設備絕緣體在測試要求的時間內，其產(chǎn)生的泄漏電流保持在規(guī)定要求的范圍內，就可以判定在正常的運行條件下這個被測設備可以安全運行，以此檢查被測設備的絕緣材料所能承受耐電壓能力的試驗。耐壓試驗是檢驗設備電氣安全性能的重要指標之一，是檢驗產(chǎn)品在實際工作狀態(tài)下的電氣安全性能。耐壓測試儀的測試結果直接影響到電子產(chǎn)品和設備的安全，測量結果的好壞一般是用測量誤差來進行評定，但測量誤差僅能表現(xiàn)測量的短期質量。測量結果、測量過程、測量能力是否能夠符合使用單位的要求，此時就需要用測量不確定度來衡量。測量不確定度是和測量結果關聯(lián)的其中一個參數(shù)，它是能直接表現(xiàn)被測量的分散性。

1 交流電壓測量結果不確定度評定

1.1 概述

1）流程圖

根據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》用GUM法評定測量不確定度，一般流程有幾點：①測量不確定度來源分析；②測量模型的建立；③標準不確定度評定；④合成標準不確定度計算。如下圖1所示。

2） 測量依據(jù)：JJG 795-2016《耐電壓測試儀檢定規(guī)程》。

3）環(huán)境條件：溫度（20±5）℃，相對濕度≤75 %。

4）測量標準：8846A型臺式多用表，測量范圍（0～1 000 V），技術指標100 V檔為±0.06 %rdg+0.03 %fs；HJ12-20B型電壓互感器，測量范圍（0～20 kV），準確度等級為0.01級。

圖1 評定測量不確定度的流程圖

5）被測對象：7110型程控耐壓測試儀，準確度等級2級。

6）測量方法：將電壓互感器一次電壓端5 kV檔和被檢耐壓測試儀電壓輸出端接線，再用臺式多用表電壓端和電壓互感器二次端5 kV/0.1 kV檔按檢定規(guī)程中分壓器測量法進行接線，臺式多用表對耐壓測試儀的交流輸出電壓通過電壓互感器進行分壓測量，臺式多用表選擇交流電壓100 V檔位，在待機狀態(tài)下將耐電壓測試儀電壓預設為2 kV，啟動耐電壓測試儀，讀取臺式多用表的示值，該示值與互感器變比的乘積即為被檢耐壓測試儀在2 kV電壓點的實際值。

1.2 數(shù)學模型

式中：

U—被檢耐電壓測試儀的交流電壓實際值，kV；

V—臺式多用表的交流電壓示值，V。

1.3 測量結果不確定度來源

分析影響測量結果不確定度的因素，可將交流電壓測量結果不確定度表示如下：

式中：

u(U)—交流電壓測量結果的合成標準不確定度；

u(U1)—測量重復性引入的標準不確定度；

u(U2)—被測耐壓測試儀分辨力引入的標準不確定度；

u(U3) —電壓互感器引入的標準不確定度；

u(U4) —臺式多用表引入的標準不確定度。

1.4 標準不確定度分量的評定

1）測量重復性引入的標準不確定度

該不確定度分量采用A類評定方法，在2 kV交流電壓點進行10次獨立測量，測量值如表1所示。

根據(jù)貝塞爾公式，計算交流電壓單次測量值的標準不確定度：

按規(guī)程要求數(shù)字式耐壓要求重復測量2次電壓的平均值作為電壓實際值，所以A類不確定度分量采用2次平均值實驗標準差，即：

2）儀器分辨力引入的標準不確定度u(U2)的評定

被測設備7110型程控耐壓測試儀最小分辨力為0.001 kV，故半寬為0.000 5 kV，在區(qū)間內為均勻分布，包含因子取則

測量重復性引入的標準不確定度大于儀器分辨力引入的標準不確定度，故分辨力引入的標準不確定度不考慮。

3） 電壓互感器引入的標準不確定度u(U3)的評定

根據(jù)電壓互感器引起的標準不確定度，采用B類不確定度評定方法進行評定。電壓互感器的準確度等級為0.01級，即測量2 kV時，允許誤差限為：±(0.01 %×2 000)=±0.2 V，即區(qū)間半寬度a=0.2 V，在區(qū)間內為均勻分布，包含因子則

4）臺式多用表引入的標準不確定度的評定

根據(jù)臺式多用表引起的標準不確定度，采用B類不確定度評定方法進行評定。2 kV電壓互感器對應二次端輸出電壓應為40 V，根據(jù)數(shù)字多用表技術指標給出其交流電壓100 V檔40 V時的允許誤差為e=±（0.06 %×40 V+0.03 %×100 V）=±0.054 V，區(qū)間半寬度a=0.054 V，在區(qū)間內為均勻分布，包含因子，則

表1 耐壓測試儀電壓值10次測量值

1.5 合成標準不確定度u(U)評定

不確定度分量彼此不相關，靈敏系數(shù)Ci=1，故交流電壓測量結果的合成標準不確定度按下式計算：

1.6 相對擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，則交流電壓測量結果的擴展不確定度：U=k·u(U)≈0.94 V相對的擴展不確定度：

1.7 2 kV時耐壓測試儀校準結果

7110型程控耐壓測試儀，在2 kV交流電壓點測量結果修約后的相對擴展不確定度：

Urel=0.04 %，k=2

2 總結與分析

對于耐壓測試儀電壓影響其校準結果不確定度的因數(shù)很多，主要由被測設備和標準設備引入的不確定度，詳細分析被測設備自身的因數(shù)是重復性的影響和分辨力的影響，測試標準器的影響是標準器的精度引入的影響。所以概括而言就是以下幾點：

1）測量重復性引起的標準不確定度分量，可以通過多次獨立重復測量，采用A類評定方法求出；

2）儀器分辨力引入的標準不確定度分量，采用B類評定方法求出，因為分辨力引入的不確定度小于重復性引入的不確定度，故分辨力的不確定不考慮在內；

3）標準器引入的標準不確定度分量，采用B類評定方法求出、。針對上述不確定度評定結果可以發(fā)現(xiàn)，測量重復性引入的標準不確定度占比由得出88.2 %，電壓互感器引入的標準不確定度占比為11.0 %，臺式多用表引入的標準不確定度占比為0.8 %，由上述數(shù)據(jù)可以得出被檢耐壓設備的重復性引入的標準不確定度分量占比最大，對合成標準不確定度的大小起到關鍵的影響作用。重復性和分辨力是測量儀器的固有特性，即耐壓測試儀的固有特性是電壓測量結果中標準不確定度的主要來源。如果耐壓儀的分辨力變成0.01 kV，則儀器分辨力引入的標準不確定度將變?yōu)?.9 V，故重復性引入的不確定度不考慮在內，被檢耐壓儀分辨力引入的標準不確定度占為99 %以上，而耐壓儀電壓為2 kV時相對擴展不確定度將變成0.3 %。由此可見在評定耐壓測試儀電壓不確定度時，測量儀器的固有特性對評定結果有重要影響。所以有些被檢設備標注技術指標幾乎一致，在相同條件下用同樣的標準器校準，而檢定報告或者校準報告上的不確定度卻有很大的差別，很可能是設備的分辨力或者重復性上有差別，導致不確定度的差異產(chǎn)生。

3 結束語

本文主要是從耐壓測試儀交流電壓2 kV的點位進行不確定度評估，分析各個標準不確定度分量的影響程度，最后結果分析得出電壓標準不確定度分量中,測量重復性引入的標準不確定度分量或分辨力引入的標準不確定分量占比超過一半以上，是不確定度評定結果的關鍵影響因數(shù)，相同情況下如果被檢設備分辨力少一位，擴展不確定度也會變大數(shù)倍，而分辨力引入的標準不確定占比也會增加。本文對于分析不確定度的影響和評估起到了一定參考作用，希望會對以后大家分析不確定度的影響和評估有所幫助。