工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)n+1加法和測β線路分析及10 A/5 A不確定度評(píng)定

劉 罡，劉 娟，王江波，姜春陽，孫宏偉

(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. 中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3. 中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；4.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179)

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)n+1加法和測β線路分析及10A/5A不確定度評(píng)定

劉 罡1，劉 娟1，王江波2，姜春陽3，孫宏偉4

(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. 中廣核研究院有限公司北京分公司，北京 100086；3. 中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；4.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179)

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)通過5 A/5 A的自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)量值復(fù)現(xiàn)。從5 A/5 A至10 A/5 A乃至50 A/5 A的電流比率擴(kuò)展需要采用n+1加法線路和測β線路完成。對(duì)n+1加法線路和測β線路進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，并對(duì)10 A/5 A檔位的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，最后采用傳遞比較法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了數(shù)據(jù)的合理性。

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)；電流比較儀；n+1加法線路；測β線路

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)主要由3臺(tái)或4臺(tái)電流比較儀的自校線路、互校線路、n+1加法線路、測β線路、乘法線路和除法線路組成[1]。它首先通過5 A/5 A的自校線路實(shí)現(xiàn)量值復(fù)現(xiàn)。從5 A/5 A至10 A/5 A乃至50 A/5 A的電流比率擴(kuò)展需要采用n+1加法線路和測β線路完成。故對(duì)于工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)而言，n+1加法線路和測β線路是其核心線路。同時(shí)，相對(duì)于自校線路和互校線路，n+1加法線路和測β線路更加復(fù)雜和繁瑣。本文將針對(duì)這兩大難點(diǎn)線路進(jìn)行分析，并以10 A/5 A為例給出n+1加法線路和測β線路的測量方法和不確定度評(píng)定。

1 線路分析

1.1 n+1加法線路

n+1加法線路中，n的取值從0開始，當(dāng)n=0時(shí)，電流比為5 A/5 A；當(dāng)n=1時(shí)，電流比為10 A/5 A，以此類推。把額定電流比為n的電流比較儀的一次和二次相加，作為另1臺(tái)比較儀的一次電流，可校準(zhǔn)另1臺(tái)電流比較儀的n+1電流比。測量線路如圖1所示，To為標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀；Tx為被檢電流比較儀；Toa為標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀的輔助互感器；Tox為被檢電流比較儀的輔助互感器。標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀的二次繞組N2與二次補(bǔ)償繞組NB直接并聯(lián)連接，為空載電流比較儀。在To內(nèi)附與外附輔助電流互感器的差流回路中串聯(lián)專用的電壓源仿真負(fù)荷調(diào)零箱，以抵消To二次回路所有負(fù)荷。仿真負(fù)荷的數(shù)量級(jí)約為10-1Ω，全部由外附輔助電流互感器Toa承擔(dān)，不影響電流比較儀的容性誤差。首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀調(diào)零，使標(biāo)準(zhǔn)側(cè)調(diào)零箱ZF指零；然后對(duì)被檢電流比較儀調(diào)零，使被檢側(cè)調(diào)零箱ZF指零；當(dāng)兩側(cè)調(diào)零箱均指零后，采用比較法對(duì)線路進(jìn)行誤差測量[2]，記下互感器校驗(yàn)儀的讀數(shù)εa。

圖1 電流比較儀n+1加法線路

1.2 測β線路

在n+1加法線路中，由于會(huì)產(chǎn)生泄漏電流β，故需將其測出并減去。圖2為空載電流比較儀測β線路，將圖1中被檢Tx比較儀的電流比改為1/1，所有外附輔助電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)To比較儀的電流比不變。再將原來被檢Tx和標(biāo)準(zhǔn)To的一次串聯(lián)回路在極性端處斷開，并將標(biāo)準(zhǔn)To的一次極性端接被檢輔助電流互感器Txa的一次極性端，且直接接地。首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀調(diào)零，使標(biāo)準(zhǔn)側(cè)調(diào)零箱ZF指零；然后對(duì)被檢電流比較儀調(diào)零，使被檢側(cè)調(diào)零箱ZF指零。在被檢Tx的自校線路下，其一次和二次極性端之間串聯(lián)了標(biāo)準(zhǔn)To的二次繞組，To的二次補(bǔ)償繞組仍接Tx的一次補(bǔ)償繞組[3]。比較儀To和Tx同時(shí)達(dá)到零磁通，校驗(yàn)儀的讀數(shù)即εβ，可以算得：

β=εβ-εk

(1)

式中：εk為被檢電流比較儀自校線路誤差。

加法線路測得的被檢電流比較儀在n+1電流比下Tx的誤差為

εx=εa+(nε0-β)/(n+1)

(2)

式中：εa為加法線路下校驗(yàn)儀讀數(shù)；ε0為標(biāo)準(zhǔn)比較儀在n/1電流比下的誤差。

圖2 電流比較儀測β線路

2 實(shí)例測量

以型號(hào)為BLT2751、準(zhǔn)確度等級(jí)為0.000 02級(jí)電流比較儀A(電流比 5 A/5 A)為標(biāo)準(zhǔn)，測量型號(hào)為BLT1643、準(zhǔn)確度等級(jí)為0.000 02級(jí)電流比較儀B(電流比10 A/5 A)的誤差。即標(biāo)準(zhǔn)A電流比n/1=1/1=5 A/5 A校準(zhǔn)被檢B電流比n+1/1=2/1=10 A/5 A。依據(jù)JJF 1068—2000《工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置》校準(zhǔn)規(guī)范[4]，對(duì)功率因數(shù)為1.0、二次負(fù)荷為0 VA條件下進(jìn)行10次獨(dú)立重復(fù)測量，其中5 A/5 A空載自校誤差本文直接給出，比值誤差εk為-1×10-8，相位誤差εk為0×10-8rad；ε0在5 A/5 A電流比時(shí)與εk相同。測量得到10 A/5 A的εa、εβ，計(jì)算得到10 A/5 A的β、εx如表1所示(數(shù)據(jù)處理保留1×10-8，0.5化整為0，1.5化整為1)。

表1 10 A/5 A檔位εa、εβ的測量結(jié)果和β、εx的計(jì)算結(jié)果(比值誤差倍率：×10-8，相位誤差倍率:×10-8 rad)

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要由A類不確定度和B類不確定度組成。工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)的A類不確定度主要由外界電磁場干擾、環(huán)境溫度濕度的變化、正反向電源的不平衡等因素影響，為了使各種影響充分暴露，在較長的一個(gè)周期內(nèi)，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)性測量(本文選擇10次)。工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)的B類不確定度分量主要由測量裝置引入、測量數(shù)據(jù)化整修約等因素組成[5-6]。故n+1加法線路和測β線路的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要由測量重復(fù)性u(píng)(x1)、測量裝置u(x2)、測量數(shù)據(jù)化整修約u(x3)3部分組成。

3.1 測量重復(fù)性

采用貝塞爾公式計(jì)算測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(3)

由式(3)算得比值誤差的測量重復(fù)性u(píng)(x1)=s=0.42×10-8，相位誤差的測量重復(fù)性u(píng)(x1)=s=0.32×10-8rad。

3.2 測量裝置

測量裝置主要為電流互感器校驗(yàn)儀，該裝置引入的分量u(x2)=0.1εmax/1.7。εmax為互感器校驗(yàn)儀測量讀數(shù)最大的絕對(duì)值[7-8]。依據(jù)表1，計(jì)算可得到比值誤差u(x2)=0.06×10-8，相位誤差u(x2)=0.06×10-8rad。

3.3 測量數(shù)據(jù)化整修約

由于相關(guān)檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范均未對(duì)0.000 02級(jí)電流比較儀做出明確規(guī)定，按照誤差限值的十分之一確定，取半寬度區(qū)間，均勻分布k=1.7，即u(x3)=0.05Δ/1.7。經(jīng)計(jì)算，比值誤差u(x3)=0.59×10-8，相位誤差u(x3)=0.59×10-8rad。

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由各不確定度分量合成得到。由于各不確定度分量互不相關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc：

(4)

擴(kuò)展不確定度U是確定校準(zhǔn)結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測量值分布的大部分可望含于此區(qū)間。擴(kuò)展不確定度由相應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子計(jì)算得到：

U=kuc

(5)

其中包含因子k=2,置信概率p=95.45%，uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。由式(4) 、式(5)得到電流比10 A/5 A，100%In合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度如表2所示。

表2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度計(jì)算表(比值誤差倍率因數(shù)：×10-8 ，相位誤差倍率因數(shù)：×10-8 rad)

5 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的驗(yàn)證

為驗(yàn)證n+1加法和測β線路的不確定度，采用傳遞比較法將該方法的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和上級(jí)單位量值傳遞的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，其中10 A/5 A檔位100%額定電流下的比對(duì)結(jié)果如表3所示[9]。

表3 本單位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和上級(jí)單位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

=1.7×10-8

=1.6×10-8rad

通過傳遞比較法的驗(yàn)證表明，該電流比較儀n+1加法和測β線路不確定度評(píng)定符合要求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)電流比較儀n+1加法和測β線路進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，并對(duì)10 A/5 A檔位的不確定度進(jìn)行評(píng)定和驗(yàn)證。由于電流比較儀最高標(biāo)準(zhǔn)的測量范圍為(5～50) A/5 A，其所有的電流比率擴(kuò)展均由5 A/5 A自校線路結(jié)合互校線路以及n+1加法和測β線路完成。對(duì)于電流比較儀傳遞標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)，(50～500)A/5 A、(500～5 000)A/5 A以及一次電流5 A以下的電流比率擴(kuò)展需由乘法線路、除法線路和空載轉(zhuǎn)分離的運(yùn)算完成。

[1] 李 前，劉 浩，湯 珺，等. 建立國家10 kA大電流比例標(biāo)準(zhǔn)[C]. 全國電工測試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2008,3(10):114-118.

[2] 劉 罡，王江波，房 琛，等. 換流站用OCT基本原理分析和現(xiàn)場校驗(yàn)方法的研究[J]. 東北電力技術(shù)，2015,36(3):19-21.

[3] 陳玥名，崔廣泉，劉長江. 電力電流互感器實(shí)驗(yàn)方法的研究[J]. 東北電力技術(shù)，2009,30(9):15-17.

[4] 工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1068—2000 [S].

[5] 測量不確定度評(píng)定與表示：JJF 1059.1—2012 [S].

[6] 測量用電流互感器檢定規(guī)程：JJG 313—2010 [S].

[7] 劉 罡，于 洋，韓佳妤，等. 電容式電壓互感器二次端子箱接地點(diǎn)虛接對(duì)現(xiàn)場檢定的影響[J]. 東北電力技術(shù)，2015,36(6):17-19.

[8] 劉振波，王曉雷. 關(guān)口電能計(jì)量裝置綜合誤差分析和補(bǔ)償[J]. 東北電力技術(shù)，2009,30(8):1-3.

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Analysis ofn+1 Addition Circuit andβCircuit and Uncertainty Evaluation of 10 A/5 A for Current Ratio Standards at Power Frequency

LIU Gang1,LIU Juan1,WANG Jiangbo2,Jiang Chunyang3，SUN Hongwei4

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110006,China; 2.China Nuclear Power Technology Research Institute Beijing Division Co.,Ltd., Beijing 100086,China; 3.China Electric Power Research Institute,Wuhan,Hubei 430074, China; 4.Liaoning Electric Power Development Stock Co.,Ltd.,Shenyang, Liaoning 110179,China)

Current ratio standards at power frequency achieve value reproduction through the self calibration of 5 A/5 A. Current ratio expansion from 5 A/5 A to 10 A/5 A and even 50 A/5 A require the use ofn+1 addition circuit andβcircuit. In this paper,n+1 addition circuit andβcircuit of current ratio standards at power frequency are analyzed and tested. The uncertainty of 10 A/5 A is evaluated, and at last it is verified by Transfer Comparison Method in order to prove the rationality of the data.

current ratio standards at power frequency; current comparator;n+1 addition circuit;βcircuit

TM93

A

1004-7913(2017)10-0059-04

劉 罡(1985)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量的試驗(yàn)與研究工作。

2017-05-20)