超低頻高壓發(fā)生器的校準(zhǔn)方法及不確定度評(píng)定

劉曉琴 呂東瑞

摘 ?要：介紹了超低頻高壓發(fā)生器及用途，參考DL/T 849.4-2004《電力設(shè)備專用測(cè)試儀器通用技術(shù)條件第4部分：超低頻高壓發(fā)生器》的技術(shù)要求，同時(shí)結(jié)合多家電力儀器設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)的超低頻高壓發(fā)生器的功能及技術(shù)參數(shù)，提出了超低頻高壓發(fā)生器的計(jì)量性能及項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出了超低頻高壓發(fā)生器的校準(zhǔn)方法，并對(duì)峰值電壓的測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

關(guān)鍵詞：超低頻高壓發(fā)生器;計(jì)量特性;校準(zhǔn)項(xiàng)目;校準(zhǔn)方法;不確定度

中圖分類號(hào)：TM935.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）13-0049-03

Calibration Method and Uncertainty Evaluation of

Ultra-Low Frequency High Voltage Generator

LIU Xiaoqin，LV Dongrui

（Guangzhou GRG Metrology & Test Co.，Ltd.，Guangzhou ?510656，China）

Abstract：This paper introduces the ultra-low frequency high voltage generator and its application. Refer to the technical requirements of DL/T 849.4-2004 “General Technical Conditions for Power Equipment Special Test Equipment Part 4 Ultra Low Frequency High Voltage Generator”，at the same time，combined with the functions and technical parameters of ultra-low frequency and high voltage generator produced by several power instrument and equipment manufacturers，the measurement performance and project of the ultra-low frequency high-voltage generator are proposed，and the calibration method of the ultra-low frequency high-voltage generator is designed，and the uncertainty of the measurement results of peak voltage is evaluated.

Keywords：ultra-low frequency high voltage generator;metering characteristics;calibration project;calibration method;uncertainty

0 ?引 ?言

超低頻高壓發(fā)生器，是輸出電壓的頻率小于等于1Hz，輸出電壓的波形為正弦波或余弦方波的高壓電源發(fā)生裝置，主要用于對(duì)（地埋）電力電纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)（預(yù)防性試驗(yàn)），即檢查電力電纜的絕緣狀況的試驗(yàn)設(shè)備。電力電纜的可靠絕緣是保證供電可靠性的重要措施之一。但目前我國(guó)還沒(méi)有超低頻高壓發(fā)生器的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，故很多計(jì)量機(jī)構(gòu)在開(kāi)展此項(xiàng)目時(shí)，沒(méi)有檢定規(guī)程/校準(zhǔn)規(guī)范可依據(jù)，存在校準(zhǔn)方法不正確、校準(zhǔn)參數(shù)不全等情況，不能對(duì)被校超低頻高壓發(fā)生器的其量值進(jìn)行有效的溯源。

1 ?范圍

本校準(zhǔn)方法適用于超低頻高壓發(fā)生器的校準(zhǔn)。

2 ?引用文件

DL/T 849.4-2004《電力設(shè)備專用測(cè)試儀器通用技術(shù)條件第4部分：超低頻高壓發(fā)生器》

凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本方法;凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本方法。

3 ?術(shù)語(yǔ)及計(jì)量單位

3.1 ?超低頻高壓發(fā)生器（very low frequency high-voltage generator）

輸出電壓頻率小于或者等于1Hz，輸出電壓的波形為正弦波或者余弦方波的高壓電源發(fā)生裝置。

3.2 ?額定輸出電壓（rated output voltage）

超低頻高壓發(fā)生器的輸出標(biāo)稱峰值電壓。

3.3 ?額定頻率（rated output frequency）

超低頻高壓發(fā)生器的標(biāo)稱頻率，它可以是一個(gè)單一頻率，也可以是可調(diào)的多個(gè)頻率。

4 ?超低頻高壓發(fā)生器簡(jiǎn)介

超低頻高壓發(fā)生器，主要用于對(duì)電容性被試品（如電力電纜、大中型發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電力電容器等）進(jìn)行超低頻交流高壓試驗(yàn)。裝置一般由升壓器和控制箱兩部分組成。常見(jiàn)的超低頻高壓發(fā)生器其額定頻率為0.1Hz、0.05Hz、0.02Hz等。

5 ?計(jì)量特性

5.1 ?輸出電壓峰值誤差及穩(wěn)定度

范圍：（1～100）kV，最大允許誤差：±3%;輸出電壓穩(wěn)定度小于1%。

5.2 ?輸出電壓頻率誤差及穩(wěn)定度

范圍：（0.01～1）Hz，或固定頻率點(diǎn)：0.02Hz、0.05Hz、0.1Hz等，最大允許誤差：±3%;輸出電壓頻率穩(wěn)定度小于3%。

5.3 ?輸出正弦電壓的波形畸變率

波形畸變率小于5%。

5.4 ?輸出余弦方波電壓的極性轉(zhuǎn)換時(shí)間

極性轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于10ms。

5.5 ?輸出電壓正/負(fù)半周周期對(duì)稱性

正/負(fù)半周周期的絕對(duì)誤差小于0.5s;正/負(fù)半波峰值偏差小于5%。

注：具體計(jì)量特性，可參照被校超低頻高壓發(fā)生器的要求。以上要求不適用于合格性判別。

6 ?校準(zhǔn)項(xiàng)目及校準(zhǔn)方法

6.1 ?校準(zhǔn)條件

6.1.1 ?環(huán)境條件

溫度：（20±5）℃;相對(duì)濕度：≤80%;電源電壓：220V（1±10%），或380V（1±10%）;電源頻率：50Hz（1±5%）。

6.1.2 ?測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及輔助設(shè)備

（1）標(biāo)準(zhǔn)分壓器（1Hz），0.5級(jí);

（2）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表，0.1級(jí);

（3）示波器。

6.2 ?校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

6.2.1 ?輸出電壓示值誤差校準(zhǔn)

接線如圖1所示，連接被校超低頻高壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)分壓器和標(biāo)準(zhǔn)峰值電壓表（或示波器），在額定頻率（有多個(gè)工作頻率的超低頻高壓發(fā)生器，應(yīng)分別在每個(gè)頻率下進(jìn)行校準(zhǔn)）下，調(diào)節(jié)超低頻高壓發(fā)生器輸出電壓至額定電壓的20%、60%、80%、100%，在電壓上升和下降階段中，分別讀取峰值電壓表讀數(shù)，取平均值作為電壓標(biāo)準(zhǔn)值，則輸出電壓示值誤差等于被校高壓發(fā)生器電壓示值減去電壓標(biāo)準(zhǔn)值。

6.2.2 ?輸出電壓短期穩(wěn)定性的校準(zhǔn)

接線如圖1所示，調(diào)節(jié)超低頻高壓發(fā)生器輸出電壓至額定電壓，在60min內(nèi)或被校高壓發(fā)生器說(shuō)明書規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，按一定的時(shí)間間隔記錄輸出峰值電壓Vi，并從所有的測(cè)量值Vi中選取最大值和最小值，則短期穩(wěn)定性Sev按式（1）計(jì)算：

6.2.3 ?輸出電壓頻率誤差的校準(zhǔn)

接線如圖1所示。調(diào)節(jié)超低頻高壓發(fā)生器輸出電壓至額定電壓，用標(biāo)準(zhǔn)電壓表的頻率測(cè)量功能測(cè)量輸出電壓的頻率值。有多個(gè)工作頻率的超低頻高壓發(fā)生器，應(yīng)對(duì)每個(gè)頻率都進(jìn)行校準(zhǔn)。

6.2.4 ?輸出電壓頻率短期穩(wěn)定性校準(zhǔn)

接線如圖1所示，調(diào)節(jié)超低頻高壓發(fā)生器輸出電壓至額定電壓，在60min內(nèi)或被校高壓發(fā)生器說(shuō)明書規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，記錄輸出電壓頻率值的最大變化量，短期穩(wěn)定性按式（1）計(jì)算。

6.2.5 ?輸出正弦波電壓的波形畸變率

對(duì)輸出電壓為正弦波的超低頻高壓發(fā)生器，測(cè)量其輸出電壓波形畸變率。接線如圖1所示。在額定頻率下，調(diào)節(jié)輸出電壓逐步上升至30%、50%、80%和100%的額定值，分別測(cè)量其峰值和有效值，則波形畸變率r按式（2）計(jì)算：

6.2.6 ?輸出余弦方波電壓的極性轉(zhuǎn)換時(shí)間

對(duì)輸出電壓為余弦方波的超低頻高壓發(fā)生器，測(cè)量其輸出電壓極性轉(zhuǎn)換時(shí)間。接線如圖2所示。在額定頻率下，調(diào)節(jié)輸出電壓逐步上升至30%、50%、80%和100%的額定值，用示波器記錄器輸出電壓波形，分別測(cè)量從正峰值的90%至負(fù)峰值的90%及負(fù)峰值的90%至正峰值的90%的極性轉(zhuǎn)換時(shí)間。

6.2.7 ?輸出電壓正/負(fù)半周周期對(duì)稱性

接線如圖2所示。在額定頻率下，調(diào)節(jié)輸出電壓逐步上升至30%、50%、80%和100%的額定值，用示波器記錄器輸出電壓波形，分別測(cè)量輸出電壓正、負(fù)半周的周期，和正、負(fù)半波的峰值，計(jì)算正/負(fù)半周周期誤差和正/負(fù)半波峰值偏差。

7 ?校準(zhǔn)結(jié)果

校準(zhǔn)結(jié)果均應(yīng)在校準(zhǔn)證書上反映。校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括標(biāo)題、校準(zhǔn)方的名稱和地址、客戶的名稱和地址、校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)所用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及有效性說(shuō)明、校準(zhǔn)結(jié)果及其測(cè)量不確定度的說(shuō)明、校準(zhǔn)環(huán)境等JJF1071-2010《國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》5.12所要求的內(nèi)容。

8 ?復(fù)校時(shí)間間隔

建議復(fù)校時(shí)間間隔為1年。由于復(fù)校時(shí)間間隔的長(zhǎng)短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸多因素多決定的，因此，送校單位可根據(jù)實(shí)際儀器使用情況自行決定復(fù)校時(shí)間間隔。

9 ?測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

9.1 ?測(cè)量方法

校準(zhǔn)接線如圖1所示，連接被校超低頻高壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)分壓器和標(biāo)準(zhǔn)電壓表，調(diào)節(jié)超低頻高壓發(fā)生器的輸出電壓至校準(zhǔn)點(diǎn)，記錄標(biāo)準(zhǔn)電壓表的示值。

9.2 ?測(cè)量模型

9.4 ?標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

不確定度來(lái)源主要為被測(cè)設(shè)備的測(cè)量重復(fù)性、所用標(biāo)準(zhǔn)器的允差，以及環(huán)境條件的影響等。因校準(zhǔn)時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)程要求的環(huán)境條件進(jìn)行，故其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量可以忽略不計(jì)。

9.4.1 ?由測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

被校實(shí)驗(yàn)裝置輸出電壓10kV，用校準(zhǔn)裝置進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

9.4.2 ?標(biāo)準(zhǔn)分壓器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB1

由標(biāo)準(zhǔn)分壓器技術(shù)指標(biāo)得知其最大允許誤差為±0.5%，設(shè)其服從均勻分布，取包含因子為k=，由計(jì)算公式uB1= a/，標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1=0.29%。

9.4.3 ?標(biāo)準(zhǔn)電壓表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB2

由標(biāo)準(zhǔn)電壓表技術(shù)指標(biāo)得知其最大允許誤差為±0.1%，設(shè)其服從均勻分布，取包含因子為k=，由計(jì)算公式uB1= a/，標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB1=0.058%。

9.5 ?合成不確定度計(jì)算

通過(guò)以上分析得知，其不確度分量有uA、uB1、uB2等項(xiàng)，且各項(xiàng)互不相關(guān)，其相對(duì)合成不確定度：uc== 0.30%。

9.6 ?擴(kuò)展不確定度

取k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=kuc=0.6%。

10 ?結(jié) ?論

本文參考DL/T 849.4-2004《電力設(shè)備專用測(cè)試儀器通用技術(shù)條件第4部分：超低頻高壓發(fā)生器》的技術(shù)要求，同時(shí)結(jié)合多家電力儀器設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)的超低頻高壓發(fā)生器的功能及技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了超低頻高壓發(fā)生器的校準(zhǔn)方法，并通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性，可以為超低頻高壓發(fā)生器校準(zhǔn)規(guī)范的編寫提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：劉曉琴（1984-），女，漢族，重慶長(zhǎng)壽人，科研經(jīng)理，本科，研究方向：無(wú)線電、時(shí)間頻率、光電子測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)和測(cè)試。