工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)輔助標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)線路分析及不確定度評定

劉 罡 ，曹 兵 ，李風(fēng)澤 ，姜春陽 ，房 琛

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 ，遼寧 沈陽 110006；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；3.大連電力建筑工程公司，遼寧 大連 116021）

0 引言

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器量值傳遞的源頭，其校準(zhǔn)技術(shù)水平對區(qū)域內(nèi)電力生產(chǎn)、電能計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算及科學(xué)研究均有著重要影響。國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)的主標(biāo)準(zhǔn)由0.000 02級電流比較儀、0.000 1級電流比較儀、0.000 5級電流比較儀構(gòu)成。3臺電流比較儀通過自校線路、比較線路、加法和測β線路、乘法和除法線路可完成一次電流為0.1～5000A、二次電流為5 A的電流比較儀全部變比的校準(zhǔn)，可對0.002級及以下同變比的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器進(jìn)行量值傳遞。然而，二次電流為1 A或者一次電流為10 000 A的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器無法通過單臺電流比較儀進(jìn)行量值傳遞，需引入1臺輔助標(biāo)準(zhǔn)，通過主標(biāo)準(zhǔn)和輔助標(biāo)準(zhǔn)組成除法或乘法線路完成上述變比的量值傳遞，輔助標(biāo)準(zhǔn)本身的量值復(fù)現(xiàn)需通過已完成校準(zhǔn)的主標(biāo)準(zhǔn)器完成。

1 輔助標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)方法分析

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)輔助標(biāo)準(zhǔn)選用0.000 2級一次電流為10 A，5 A，二次電流為5 A，1 A的補(bǔ)償式電流比較儀，故一共有4個變比，其中，5 A/5 A采用自校線路校準(zhǔn)，10A/5A采用比較線路校準(zhǔn)，10 A/1 A和5 A/1 A采用除法線路校準(zhǔn)，以下對3種不同的方法分別進(jìn)行分析。

1.1 5 A/5 A變比校準(zhǔn)

5 A/5 A變比的校準(zhǔn)采用自校線路，如圖1所示。N1為一次繞組，N2為二次繞組，NB為二次補(bǔ)償繞組，ND為調(diào)零繞組，Txa為外附輔助電流互感器。與空載式自校準(zhǔn)線路［1］不同，輔助標(biāo)準(zhǔn)由于在應(yīng)用中二次側(cè)需級聯(lián)另一臺電流比較儀構(gòu)成除法線路或乘法線路，故采用分離式自校準(zhǔn)線路更為合適，二次繞組N2的非極性端和二次補(bǔ)償繞組NB的非極性端需要斷開。5 A/5 A變比的校準(zhǔn)誤差用εk表示，數(shù)值等于校驗(yàn)儀HEG1的讀數(shù)ε，即εk=ε。

圖1 5 A/5 A變比的校準(zhǔn)線路

1.2 10 A/5 A變比校準(zhǔn)

10 A/5 A變比的校準(zhǔn)采用比較線路，如圖2所示。T0為標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀，由于標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀采用分離式校準(zhǔn)線路，故選用已知分離式校準(zhǔn)線路誤差、準(zhǔn)確度等級為0.000 1級的B號主標(biāo)準(zhǔn)更為合適。TX為被檢電流比較儀，即該輔助標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)、被檢電流比較儀的變比均為10 A/5 A。N1為一次繞組，N2為二次繞組，NB為二次補(bǔ)償繞組，ND為調(diào)零繞組，Toa為標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀外附輔助電流互感器，Txa為被檢電流比較儀外附輔助電流互感器。由于輔助標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級為0.000 2級，只比標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀高一個準(zhǔn)確度等級，故10 A/5 A變比的校準(zhǔn)誤差εk在數(shù)值上等于互感器校驗(yàn)儀示數(shù)ε加上標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀的誤差值 ε0，即 εk=ε+ε0。

1.3 10 A/1 A和5 A/1 A變比校準(zhǔn)

10 A/1 A和5 A/1 A變比的校準(zhǔn)采用除法線路。除法線路的組合方式有多種，為減小標(biāo)準(zhǔn)器對被檢設(shè)備的影響，選用待測輔助標(biāo)準(zhǔn)D和0.000 02級電流比較儀A級聯(lián)同0.000 1級電流比較儀B比較的方式，校準(zhǔn)線路如圖3所示。待測輔助標(biāo)準(zhǔn)的一次側(cè)和電流比較儀B的一次側(cè)串聯(lián)并同升流器相連，待測輔助電流比較儀的二次側(cè)和電流比較儀A的一次側(cè)級聯(lián)，電流比較儀A的二次側(cè)和電流比較儀B的二次側(cè)分別同互感器校驗(yàn)儀相連構(gòu)成測差線路K，D 和供電電路 T0，TX［2］。 當(dāng)測量輔助標(biāo)準(zhǔn) 10 A/1 A誤差時，電流比較儀B變比為50 A/5 A，電流比較儀A的變比為5 A/5 A；當(dāng)測量輔助標(biāo)準(zhǔn)5 A/1 A誤差時，電流比較儀B變比為25 A/5 A，電流比較儀A的變比仍為5 A/5 A。該種組合方式由于電流比較儀A比待測輔助標(biāo)準(zhǔn)高3個準(zhǔn)確度等級，故測量誤差或評定不確定度可不考慮電流比較儀A［2］。輔助標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)誤差εk在數(shù)值上等于互感器校驗(yàn)儀示數(shù)ε加上電流比較儀 B 的誤差值 εB，即 εk=ε+εB。其中，電流比較儀B運(yùn)行在分離式線路下。

圖2 10 A/5 A變比的校準(zhǔn)線路

圖3 10 A/1 A和5 A/1 A的校準(zhǔn)線路

2 測量試驗(yàn)

依據(jù)JJG 313—2010《測量用電流互感器》檢定規(guī)程［3］以0.000 02級和0.000 1級電流比較儀為標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)待測輔助標(biāo)準(zhǔn)，得到輔助標(biāo)準(zhǔn)單次測量的比值誤差 u0（x） 和相位誤差 φ0（x），如表1所示。 表1中輔助標(biāo)準(zhǔn)各變比的誤差均滿足0.002級要求，誤差值滿足要求。

表1 輔助標(biāo)準(zhǔn)單次測量誤差

3 不確定度分析和評定

輔助標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評定方法可簡化采用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器不確定度評定方法，按照測量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)器和互感器校驗(yàn)儀3方面進(jìn)行評定［4-5］。

3.1 測量重復(fù)性

測量重復(fù)性引入的不確定度為A類不確定度，其主要由電源頻率波動、環(huán)境電磁場影響、升流器接觸電阻變化等引起，因此需要進(jìn)行不少于6次的獨(dú)立測量。對該輔助標(biāo)準(zhǔn)在cos φ=1，額定負(fù)荷為5 VA，額定電流為20%條件下進(jìn)行6次獨(dú)立測量，得到各變比重復(fù)性引入不確定度如表2所示。選取各變比比值誤差和相位誤差不確定度最大值，得到比值誤差 u1（x）=0.7×10-8，相位誤差 φ1（x）=0.9×10-8rad。

表2 輔助標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性引入不確定度

3.2 標(biāo)準(zhǔn)器

校準(zhǔn)輔助標(biāo)準(zhǔn)需使用0.000 02級和0.000 1級電流比較儀2臺標(biāo)準(zhǔn)器，由于0.000 02級電流比較儀準(zhǔn)確度等級遠(yuǎn)高于被檢輔助電流比較儀，故進(jìn)行不確定度評定時，僅需考慮0.000 1級電流比較儀即可。該電流比較儀主要由加法線路、測β線路、乘法線路和比較線路得到，經(jīng)算得，比值誤差u2（x）=11.4×10-8，相位誤差 φ2（x）=12.8×10-8rad。

3.3 互感器校驗(yàn)儀

依據(jù)JJF 1068—2000《工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置》校準(zhǔn)規(guī)范［6］，互感器校驗(yàn)儀引入的不確定度分量近似等于 0.1εmax/1.7，其中 εmax為被檢電流比較儀的最大允許誤差，將0.000 1級電流比較儀的最大允許誤差帶入，得到比值誤差 u3（x）=5.88×10-8，相位誤差φ3（x）=5.88×10-8rad。

3.4 合成不確定度的計(jì)算

依據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》校準(zhǔn)規(guī)范，在各分量互不相關(guān)條件下，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度比值誤差，相位誤差，最終得到輔助標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計(jì)表，如表3所示。

表3 輔助標(biāo)準(zhǔn)不確定度統(tǒng)計(jì)表

4 擴(kuò)展不確定度計(jì)算和最佳估計(jì)值判斷

由于對輔助標(biāo)準(zhǔn)各變比最佳估計(jì)值判斷需提供對應(yīng)誤差值的擴(kuò)展不確定度，故需先將求得的標(biāo)準(zhǔn)不確定度轉(zhuǎn)化為擴(kuò)展不確定度。依據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》校準(zhǔn)規(guī)范［7］，擴(kuò)展不確定度U采用式（1）計(jì)算。

式中：k為擴(kuò)展因子，k值的大小與包含概率p的關(guān)系如表4所示。本文中k取1.96，表示誤差值有95%的概率落在k=1.96下的擴(kuò)展不確定度區(qū)間內(nèi)。

由表3算得包含概率為95%時輔助標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為 25×10-8，相位誤差為 28×10-8rad。

綜上，結(jié)合表1得到輔助標(biāo)準(zhǔn)最終的最佳估計(jì)值判斷如表5所示，并認(rèn)為有95%的概率在對應(yīng)的包含區(qū)間內(nèi)。

表5 輔助標(biāo)準(zhǔn)單次測量誤差

5 結(jié)語

對工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)的輔助標(biāo)準(zhǔn)自校線路、比較線路和除法線路分別進(jìn)行分析，給出各變比單次測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并簡化采用電流互感器不確定度評定方式，從重復(fù)性、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器、互感器校驗(yàn)儀3方面對輔助標(biāo)準(zhǔn)的不確定度進(jìn)行了評定，計(jì)算出擴(kuò)展不確定度，最終給出了各變比的最佳估計(jì)值，為今后采用輔助標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二次電流為1 A或一次電流為10 000 A情況下的量值傳遞打下基礎(chǔ)。