電纜外護層接地電流校準及不確定度評定*

江翼，馮振新，周瑋，曹文彬，付濟良，王先培

(1.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074；2.武漢大學 電子信息學院，武漢 430072； 3.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074)

0 引 言

隨著城市的發展，大量單芯電纜的運行導致電纜的負荷日益增大。國家電網對電纜外護層的帶電測試統計可知，外護層上的感應電壓在正常情況下的值為20V以下[1-2]。

接地電流的檢測是判斷電纜是否安全的一個重要指標，按照《變電設備帶電檢測工作指導意見》的要求，帶電檢測裝備需定期執行檢查或比對，建立健全電纜外護層接地電流帶電檢測儀和計量標準裝置的評價和檢查比較是非常必要的。然而，以前校準是在實驗室環境比對進行的，現場環境對電纜外護層接地電流的校準過程中是不能拆卸設備的，還要考慮背景電流干擾的問題。

采用基于磁平衡式霍爾原理與消隱輸入標準信號的實時校準方法，使用基于磁平衡式霍爾原理的電流傳感器準確地收集設備中的背景滲出電流[3-7]，然后通過標準信號源逐次輸入與背景滲出電流大小相等方向相反的電流信號和標準點電流信號，達到背景滲出電流對校準過程的影響在不中斷電源和不拆卸相關裝置的情況下被消除的目的。

1 電纜外護層接地電流基本原理

電纜外護層主要有單端接地方式和交叉互聯接地方式，對于輸電距離較長的高壓電路，有時也采用這兩種接地方式結合的辦法[8]。高壓電纜由于其結構的特殊性，如果接地方式不當，從電磁學的原理上這將必然引起保護層上出現感應電壓，此感應電壓會在保護層上形成很大的感應電流，需要對電纜的護層接地電流進行帶電檢測，以判斷電纜是否處于安全運行階段[9]。通過對電纜外護層接地電流的取樣，將接地線上的大電流轉化到合適的范圍內，并利用A/D轉換電路，將電流數字化，并通過數據處理單元實現對護層電流的檢測。

為保證設備的量值準確性和可靠性，設計了電纜外護層接地電流帶電檢測標準裝置如圖1所示，由標準的外護層接地電流測量裝置組成。

圖1 電纜外護層接地電流帶電檢測標準裝置Fig.1 Standard device for detection of grounding current charged in cable outer sheath

在實驗室進行測量設備的校準時，其中作為標準源的交流電流源用于輸出標準的交流電流信號，而作為標準的外護層電流測量裝置測出標準源輸出的電流信號，并以此作為相對標準對被檢測的設備裝置進行示值誤差以及標準差等進行校準[10-11]。

2 電纜外護層接地電流監測儀的校準

由電纜外護層接地電流特征和監測原理可知，采用標準信號源輸入法校準電纜外護層接地電流監測儀，即使用標準信號源生成標準信號，輸入到電纜外護層接地電流監測儀中，再將監測儀的測量值和標準源生成的標準值相互比較，來達到對監測儀的科學校準的目的。鑒于現場會有背景滲出電流對校準過程出現擾動，采用基于磁平衡式霍爾原理和消隱輸入標準信號的方法現場對電纜外護層接地電流監測儀進行校準。

2.1 基于磁平衡式霍爾原理的電流傳感器

準確提取的設備中背景滲出電流是現場環境分析的關鍵。單匝穿心電流傳感器在接通時不影響高壓裝置的電氣主接線，而且次級失效時對初級高壓的常規運作沒有影響，因此儀器背景滲出電流由標準信號源預先抵消是收集背景滲出電流的更好方式。一般的電流傳感器的精度[12]往往僅能達到3%～5%，無法達到某些重要裝置的絕緣監測要求?；谘芯浚牌胶馐交魻栐淼碾娏鱾鞲衅鞲鼭M足電力系統絕緣實時監測的要求。

當電流傳感器的勵磁涌流是“磁平衡”狀態，這是電流傳感器的電流輸出表現為較好的線性，比值誤差和相角誤差為零。但這只是理想的狀態，當電纜外護層中的磁通為零(即I0=0)時，初級和次級的信號無法達到互動，電流傳感器就無法運作。現在已有的高精度電流傳感器上加入有源電子補償線路，達到實時檢測電纜外護層中的勵磁涌流并對其進行補償，原理如圖2所示。

圖2 磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖Fig.2 Schematic diagram of zero flux current sensor

如圖2所示，N1、N2分別為輸入繞組、輸出繞組，N0為檢測繞組，N3為補償繞組。沒有補償時：

I1N1+I2N2=I0N1

(1)

式中I1為初級線圈的電流值；I2為次級線圈的電流值；I0為電纜外護層中的勵磁涌流。在電子線路增加補償時，電纜外護層中的磁平衡方程為:

(2)

2.2 消隱輸入標準信號源法

該方法是根據節點電流定律而產生的，具體操作過程：若有兩條各連支電流輸入各連支節點，且二者的幅值大小相等、相位間存在180°的差值，則流過各連支的總電流為零。當通過電纜外護層接地電流監測裝置的傳感器的電流為零時，這種情況等同于將原放于變電站的實時監測裝置的傳感器重新放入實驗室環境中?，F場校準原理如圖3所示。

圖3 現場校準原理圖Fig.3 Schematic diagram of online calibration principle

如圖3所示，通過除去背景電流滲出對現場環境中校準數據的影響，證明監控設備中有已有誤差。在輸入標準信號以前，首先使用磁平衡式霍爾電流傳感器來獲得檢測儀器中電纜外護層接地電流；然后通過負回饋方法輸入與電纜外護層接地電流幅值及各項諧波分量相同，相位差為180°的電流，從而使得流經監控設備的電流為零；再輸入標準電流信號進行校準。其中，輸入的電流標準信號是具有可知諧波含量和幅度、相位可控的交直流混頻電流，可以顯著地表示在通常工作環境下電纜外護層接地電流的變換特征。

3 不確定度分析

按照如圖4所示的電路圖進行接線，被檢儀器的測試線圈(卡鉗)水平面卡住電流線，并開始測試。

選擇被檢儀器最小可測量電流值(允許電流偏差 0～30%)、最大可測量 電流值(允許電流偏差-10%～0)以及0.1 A～500 A范圍內共計7個不同的電流值進行檢測。

圖4 校準接線圖Fig.4 Calibration wiring diagram

通過調整標準電流源的輸出，測試被檢儀器從低量程到高量程各量程的電流示值及符號顯示，記錄標準電流源輸出電流值Ir和被檢儀器讀數It。

針對電纜外護層接地電流測量采用的交流電流表的校準，其中，校準鉗形電流表的環境條件如表1所示。

表1 校準鉗形電流表的環境條件Tab.1 Environmentalconditions for calibrating clamp ammeter

校準結果不確定度分析的流程如圖5所示。

圖5 校準結果不確定度分析的流程圖Fig.5 Flow chart of uncertainty analysis of calibration results

3.1 不確定度分析

影響相對介損計量標準裝置校準結果的不確定度因素如下[13-17]：

(1)A類不確定度，主要來源于介損測試儀的測量重復性；

(2)B類不確定度，主要來源于相對介損標準裝置的測量準確性。

3.2 建立數學模型

由校準原理可知，帶電檢測儀示值誤差校準的數學模型為：

ΔIt=It-Ir

(3)

式中ΔIt為被校驗儀器示值誤差；It為被校測試儀介損因數測量值；Ir為校驗電流標準值。

3.3 標準不確定度評定

3.3.1 標準不確定度的A類評定

因電容型裝置相對介損測試儀的測量重復性引起的A類不確定度用u1表示。在環境溫度(20±5)℃、相對濕度<60%,大氣壓(86-106)kPa，電源(220±22)V，(50±1)Hz的實驗室條件下對針對校驗測試儀的阻性電流為20A的點進行測量，獨立重復20次獲得測量結果，結果如表2所示。

表2 獨立重復實驗測量結果Tab.2 Independently repeated experimental measurement results

得到算術平均值：

(4)

一次實驗的標準差：

(5)

標準不確定度u1為：

u1=Sn=0.252

(6)

3.3.2 標準不確定度的B類評定

由校準裝置測量的準確度，即校準裝置的最大允許誤差所引起的B類不確定度用u2表示。

當電流>10A時，該校驗裝置的電流最大允許誤差為±(1.5%讀數±0.05)，即等于對應的分散區間的半寬；

當電流≤10A時，該校驗裝置的電流最大允許誤差為±(2%讀數±0.1)，等于對應的分散區間的半寬；

(7)

3.4 各不確定度分量匯總計算

由于各輸入量之間的關系均不相關，通過分析影響校準結果的不確定性來源，我們可以用下面的公式來計算標準不確定度：

(8)

由式(8)可知：

(9)

3.5 擴展不確定度

當得到校準結果時，相對擴展不確定度U值的通常是將合成標準不確定度uc乘上包含因子k，取k= 2并轉換成相對擴展不確定度：

U=k×uc=0.518

(10)

4 校準結果的驗證

對校準結果的驗證采用量值傳遞法。通過選取一個更好的介損測試儀來用作本實驗需要校準的對象，首先用本實驗室設計的校驗裝置對其進行校準以獲得測量數據。然后將其送到國家高電壓計量站，在那里使用另一個更先進的校驗裝置對其進行校準獲得測量數據。通過公式求出二者的校準結果，以此來驗證實驗的合理性。

驗證結果應滿足如下要求：

(11)

式中y和U分別為本實驗室的樣品校準值和校驗裝置校準結果的不確定度值；y0和U0分別為國家高電壓計量站的樣品校準值和校準結果的不確定度值。表3列出了本實驗室和國家高壓計量站的樣本校準值和不確定度值的相關數據。

表3 驗證結果Tab.3 Verification results

圖5 本實驗室數據對比國家高電壓計量站數據Fig.5 Comparison of national laboratory high voltage metering station data with this laboratory data

5 結束語

通過研究電纜外護層接地電流計量標準裝置的工作原理和實際工況，基于磁平衡式霍爾原理與消隱輸入標準信號的實時校準方法，根據標準裝置工作原理，設計合理有效的試驗方案，在實驗室環境下校準帶電檢測儀。通過試驗測量并計算了校準結果的不確定度，計算結果證明了所提出的電纜外護層接地電流現場校準方法。希望能夠為高電壓計量儀器的校準工作提供一定的借鑒意義。