开关特性测试仪速度量的两种校准方法

金 辉 聂晓晔 丁 鼎 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

高压开关是电力系统中最重要的控制和保护设备，在电网中起着控制和保护两方面的作用。由于高压开关功能的特殊性，与其他高压电力设备相比，具有其自身的特点——要求有很高的可靠性。开关特性测试仪是高压开关特性参数的重要测试设备，其主要的测试项目包括时间量、行程量、速度量。在仪器设备的研制、测试方法的研究方面，不少学者做了大量的研究工作[1-3]。很多系列的开关特性测试仪被研制开发，并在现场被广泛地采用。

对于开关特性测试仪的校准方法论述不多。本文主要针对速度量的校准提出了两种方法，比较其各自的特点，并进行不确定度分析。

1 直接法

1.1 测试条件与方法

测试环境：温度：（20±5）℃，湿度：（50±10）%RH。

测试标准仪器：GKBZ-009型高压开关测试仪检验装置（以下简称为检验装置）。

由于合闸、分闸速度的测量方法、不确定度来源等的一致性，本文中分析的均为合闸过程，分闸可按照相同的过程得到。

直接法是通过检验装置的速度校验模块直接得到的速度量作为标准值，来校准被检仪器的速度量。原理框图如图1所示。

具体过程：依靠速度发生装置产生运动，带动标准传感器和被检测试仪传感器进行完全一致的机械运动，两种传感器感知的运动过程应完全相同，通过对标准传感器信号的准确分析，同测试仪的测试数据进行对比，来校准被检测试仪。

图1 直接法原理框图

1.2 不确定度分析

数学模型：δ=Vx-Vs

式中：δ— 示值误差；

Vx— 被测仪器示值；

Vs— 标准检验装置的标准值

直接法的不确定度主要来源为

1）Vx测量重复性引入的标准不确定度u（Vs），采用不确定度A类评定；

2）检验装置标准值Vs的误差引入的标准不确定度u（Vs），采用不确定度B类评定。

驱动速度发生装置，模拟合闸动作，测得速度标准值3.60 m/s，被检测试仪示值3.62 m/s，在该点进行分析计算，各不确定度分量见表1。

评析 此题来源于成书于公元前186年以前的《算数书》，是目前已知最早的中国数学著作，对后世《九章算术》的产生也有一定影响，开创了我国古代数学重应用的特色，标志着我国古代数学理论体系开始初步形成.本题考查圆锥的体积计算，较为简单，答案为B.但它的意义和价值实际上已远远超出了试题本身，会激发考生积极主动学习数学史知识，了解中国古代的数学成就.

表1 直接法测量速度示值误差的不确定度分量汇总

u（Vx）与u（Vs）不相关，合成标准不确定度为

取包含因子k= 2，直接法测开关特性测试仪速度值的扩展不确定度为

2 间接法

2.1 测试条件与方法

测试环境：温度：（20±5）℃，湿度：（50±10）%RH。

测试标准仪器：GKBZ-009型高压开关测试仪检验装置；HPD/LABC3000数显三米万能测长仪；8846A高精度数字多用电表。

间接法是通过测长仪、高精度数字多用电表等标准仪器测得被测仪器的位移量，与检验装置测得的时间量计算得到的速度量作为标准值对被检测试仪进行校准。原理框图如图2所示。

图2 间接法原理框图

由于在实际测试中，被测仪器的位移传感器与速度发生装置刚性连接，难以使用测长仪等长度标准器对其位移量进行测量，因此通过间接方式得到位移量。本文中被测仪器的位移传感器为滑线电阻器方式，因此可以通过测量其合闸前后的电阻变化量来得到位移变化量。

式中：a— 被测仪器位移传感器的位移电阻比系数；

ΔR— 合闸前后被测仪器位移传感器的电阻值变化量；

t— 合闸时间

位移电阻比系数a可通过高精密测长仪与高精度数字多用电表测出，认为被检测试仪的位移传感器是线性可靠的，实测被检测试仪传感器a=42.434 mm/kΩ。

2.2 不确定度分析

数学模型：δ=Vx-Vs其中，

间接法的不确定度主要来源为

1）Vx测量重复性引入的标准不确定度u（Vx），采用不确定度A类评定；

2）标准值Vs的误差引入的标准不确定度u（Vs），包括两方面：ΔR的测量误差引入的标准不确定度u（ΔR），采用不确定度B类评定；合闸时间t的测量误差引入的标准不确定度u（t）,采用不确定度B类评定。

同样驱动速度发生装置，被测仪器示值3.62 m/s，经计算得到速度标准值3.61 m/s，在该点进行分析计算，各不确定度分量见表2。

表2 间接法测量速度示值误差的不确定度分量汇总

u（Vx）与u（Vs）不相关，合成标准不确定度为

取包含因子k= 2，间接法测开关特性测试仪速度值的扩展不确定度为

3 结语

比较两种方法可以看到，直接法的测量过程简单，但得到的不确定度较大，主要原因是直接法中，检验装置的位移传感器测位移值与间接法中依靠高精度测长仪与数字多用电表测位移值相比，引入的不确定度分量较大。间接法得到的不确定度较小，实际上，间接法中测长仪与数字多用电表引入的不确定度极小，测量重复性引入的不确定度占绝对主导地位。但是间接法的测量过程较为复杂，实际上是将被测仪器的位移传感器进行了一次标定，在检测时间充裕、测量可靠性要求较高时适用，而在测量可靠性水平可以接受的情况下，直接法应当是更加优选的方案。

同时应该注意到，直接法中相当重要的一点是保持检验装置与被测仪器的位移传感器的动作是完全一致的，在安装的时候要注意避免间隙空行程以及角度偏差等因素造成测量结果的误差以及不确定度的增大。

采用间接法时，如果被测仪器采用的是非滑线电阻器式的位移传感器，只要是中间参量是确定并可测的，其不确定度评定也可以参照本文的方法。

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