0.000 5級(jí)電流比較儀工作標(biāo)準(zhǔn)乘法線路分析

劉 罡，常 源，曹 兵，劉 化，聶作欽

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)主要由電流比較儀最高標(biāo)準(zhǔn)、傳遞標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)組成。通過自校準(zhǔn)完成量值復(fù)現(xiàn)的最高標(biāo)準(zhǔn)和傳遞標(biāo)準(zhǔn)采用乘法線路或除法線路即可對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)完成量值傳遞，而工作標(biāo)準(zhǔn)可直接采用比較法對(duì)下級(jí)的雙級(jí)電流互感器或電流互感器完成量值傳遞。因此工作標(biāo)準(zhǔn)器是承上啟下的關(guān)鍵設(shè)備。目前國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心的電流比較儀工作標(biāo)準(zhǔn)變比為(0.1 A～5 000 A)/5 A，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.000 5級(jí)。該工作標(biāo)準(zhǔn)的所有變比中，(1 A～500 A)/5 A已為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，不在本文的討論范圍之內(nèi)。只有當(dāng)電流比為(0.1 A～0.8 A)/5 A和(600 A～5 000 A)/5 A時(shí)，該電流比較儀才是真正意義上的工作標(biāo)準(zhǔn)。其中，(0.1 A～0.8 A)/5 A通常采用除法線路進(jìn)行量值傳遞，(600 A～5 000 A)/5A 采用乘法線路進(jìn)行量值傳遞，本文對(duì)該電流比較儀(600 A～5 000 A)/5 A變比下的校準(zhǔn)線路進(jìn)行分析，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定。

1 工作標(biāo)準(zhǔn)乘法線路分析

工作標(biāo)準(zhǔn)的乘法線路如圖1所示。A和B為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，變比分別為n/1、m/1。Taa和Tba分別為A和B的輔助電流互感器，其一次繞組和二次繞組分別與各自的一次繞組和二次繞組相連。C為工作標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀，變比為nm/1。ZF為調(diào)零箱，Z為負(fù)荷箱，HEG1為電流互感器校驗(yàn)儀。升流器與B的一次繞組、C的一次繞組串聯(lián)，B的二次繞組和A的一次繞組級(jí)聯(lián)，C的二次繞組和A的二次繞組串聯(lián)同時(shí)與互感器校驗(yàn)儀的TX、TO端子相連。HEG1的K端子與A的二次尾端相連，D端子與C的二次尾端相連同時(shí)與地相連，J端子和C的二次補(bǔ)償繞組相連。通過升流器的升流在B和C的一次繞組達(dá)到規(guī)定的電流，TX、TO監(jiān)視二次繞組電流，K、D之間產(chǎn)生差流即可完成乘法線路的校準(zhǔn)試驗(yàn)。若A的誤差為εA，B的誤差為εB，乘法線路的誤差為εb，則C的誤差εC由式(1)計(jì)算：

εC=εb+εB+εA

(1)

在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，由于A選用0.000 02級(jí)電流比較儀，B選用0.000 1級(jí)電流比較儀，故比較儀A的誤差可忽略不計(jì)，則工作標(biāo)準(zhǔn)C的誤差εC由式(2)計(jì)算：

εC=εb+εB

(2)

圖1 工作標(biāo)準(zhǔn)的乘法線路圖

2 測(cè)量試驗(yàn)

電流比較儀工作標(biāo)準(zhǔn)(600 A～5 000 A)/5 A電流比的校準(zhǔn)通過最高標(biāo)準(zhǔn)A和傳遞標(biāo)準(zhǔn)B組成乘法線路完成。其中A誤差忽略不計(jì)，B的誤差在有關(guān)論文中已經(jīng)算得[1-2]，本文直接按式(2)算出單次測(cè)量結(jié)果，比值誤差f和相位誤差δ如表1所示。

表1 工作標(biāo)準(zhǔn)(600 A～5 000 A)/5 A電流比的單次測(cè)量結(jié)果

3 不確定度的分析與評(píng)定

依據(jù)JJF 1068—2000《工頻電流比例標(biāo)準(zhǔn)裝置》校準(zhǔn)規(guī)范，乘法線路的不確定度來源主要有兩部分：取不少于6次的單次測(cè)量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度s1(A類不確定度)；通過乘法線路途經(jīng)和比較線路途經(jīng)得到誤差值得出偏差，分別按每個(gè)電流比計(jì)算差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差s2(A類不確定度)[3-5]。 然而對(duì)于工作標(biāo)準(zhǔn)而言，無法找到相同變比的傳遞標(biāo)準(zhǔn)或最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較線路校準(zhǔn)，故乘法線路的不確定度選取3個(gè)部分：?jiǎn)未螠y(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量μ(x1)、標(biāo)準(zhǔn)器B引入的不確定度分量μ(x2)B和互感器校驗(yàn)儀引入的不確定度分量μ(x2)。

3.1 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量

按照單次測(cè)量的方法，以600 A/5 A為例，對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性試驗(yàn)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[6]，得到測(cè)量的平均值及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表2所示。實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差按照式(3)計(jì)算。

(3)

表2 工作標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由于每次獨(dú)立測(cè)量測(cè)得正向電源誤差值、反向電源誤差值21次數(shù)據(jù)，故測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度計(jì)算公式為

(4)

由式(4)算出測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度比值誤差u(x1)=0.39×10-8，相位誤差u(x2)=0.59×10-8rad。本次測(cè)量重復(fù)性計(jì)算僅選取600 A/5 A 一個(gè)變比的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量，故結(jié)果有所偏小。實(shí)際評(píng)定時(shí)，需選取(600 A～5 000 A)所有變比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值作為工作標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)器B引入的不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)器B即傳遞標(biāo)準(zhǔn)的不確定度主要指(60 A～500 A)/5 A這一區(qū)間引入的不確定度，主要由比較線路和乘法線路各自引入的不確定度合成得到[7]。相關(guān)論文對(duì)此已進(jìn)行了討論[8]，本文直接算出比值誤差u(x2)=9.3×10-8，相位誤差u(x2)=10.7×10-8rad。

3.3 互感器校驗(yàn)儀引入的不確定度分量

互感器校驗(yàn)儀引入的不確定度分量u(x3)依據(jù)u(x3)=0.1εmax/1.7。εmax為被檢互感器的最大允許誤差。本文被檢工作標(biāo)準(zhǔn)電流比較儀為0.000 5級(jí)，故最大允許誤差比值誤差為500×10-8，相位誤差為500×10-8rad。計(jì)算得到互感器校驗(yàn)儀引入的不確定度分量比值誤差u(x3)=29.4×10-8，相位誤差u(x3)=29.4×10-8rad。

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)不確定度由各分量合成得到，由于3個(gè)分量相關(guān)系數(shù)為0，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按式(3)計(jì)算[9]：

(5)

由式(5)得到工作標(biāo)準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表3所示。

表3 工作標(biāo)準(zhǔn)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

擴(kuò)展不確定度由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子計(jì)算得到U=kuc,本文取包含因子k=2,包含概率p=95.45%，uc為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。經(jīng)計(jì)算得到工作標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度，如表4所示。

表4 工作標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度

5 不確定度的驗(yàn)證

為驗(yàn)證工作標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)不確定度，采用傳遞比較法將本單位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和上級(jí)單位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中600 A/5 A檔位20%額定電流下的對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 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

通過傳遞比較法的驗(yàn)證表明：工作標(biāo)準(zhǔn)乘法線路的不確定度數(shù)據(jù)符合要求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)0.000 5級(jí)電流比較儀工作標(biāo)準(zhǔn)的乘法線路進(jìn)行了分析，并從3個(gè)來源對(duì)乘法線路不確定度進(jìn)行評(píng)定，計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，通過傳遞比較法驗(yàn)證了不確定度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于工作標(biāo)準(zhǔn)由乘法線路和除法線路兩部分組成，本文僅對(duì)乘法線路進(jìn)行了評(píng)定，最終的不確定度為乘法線路不確定度和除法線路不確定度的最大值。故工作標(biāo)準(zhǔn)最終的不確定度需對(duì)乘法線路和除法線路分別統(tǒng)計(jì)后得到，除法線路的原理和試驗(yàn)分析以及不確定度評(píng)定需進(jìn)一步進(jìn)行討論。