低校高式电压互感器现场校验仪校准系统的实现*

张杰梁 陈爱玲 王榕模 林 勇

（福建省计量科学研究院，福帅 350003）

0 引言

变电站高压电能计量装置中的电压互感器，其计量性能关系到发电、送电以及供电三方的利益。为了保证计量准确，必须按照国家计量检定规程对电压互感器等进行检定。我国在上世纪80 年代已开展对高电压互感器现场检定技术的研究，目前电压互感器普遍采用的检定方法是基于基尔霍夫电压定律，采用差压法获取被检电压互感器的误差。但采用该方法检定时，若一次电压超过110kV，调压装置、升压设备和标准电压互感器等设备就会随着耐压等级的提高，体积重量成倍增加。因此，造成现场检定工作相当困难，特别是在GIS 电压互感器检定现场，由于试品安装在很高的套筒内，随一次回路的增加就需要更大容量的调压和升压设备以及操作电源，在现场条件下，往往无法完成检定。此外，在变电站施工现场，传统的试验设备在运输过程中容易损坏且劳动强度大[1]。

关于电压互感器现场检定装置，主要有文献[2]提出的“低校高”法和文献[3]提出的“负荷误差曲线外推法”。考虑到低校高式电压互感器现场校验仪已广泛应用于变电站、发电厂电压互感器检定现场，且国家尚未针对该类仪器制定相应的校准规范，故有必要对其校准方法及系统进行研究以确保其量值的准确性和统一性。

1 现场校验仪的原理

低校高法其实质是测出被检电磁式电压互感器的一次与二次绕组的电阻和漏抗、各电压百分值下的激磁导纳值、低电压下的误差值以及实际二次负荷导纳值，用计算方法得到高电压下的误差值[4]。

由电磁式电压互感器的T型等效电路（见图1）可知，激磁电流和负荷电流在这内阻抗上产生电压降，分别形成了电压互感器的空载误差和负载误差，即电磁式电压互感器的误差可表示为：

图1 电压互感器T型等效电路

式中，为空载电流，为负载电流，Z1为一次线圈内阻抗，Z2为二次线圈内阻抗，Y0和Y分别为激磁和负载导纳。考虑到一次线圈每匝的阻抗或层间的分布电容不可能相等，此时由泄漏电流在一次线圈中所产生的泄漏电流误差不能忽略，故电压互感器的误差公式应表示为：

式中，线圈的阻抗Z1、Z2和ZD都是常数，因此和均是常数。由于电磁式电压互感器铁心的磁导率不是常数，因而Y0也不是常数，随电压即随铁心磁导率的变化而变化。由此可见，如果能够测算出不同电压下的Y0Z1，那么就可以利用低压电压互感器测出高压互感器在低压下的误差，并由不同电压下空载误差之差△Y0Z1，推算出在高压下互感器的误差。

2 现场校验仪校准系统的实现

2.1 校准方法的提出与探讨

作为计量器具，应采用有效的手段确保低校高式电压互感器现场校验仪量值的溯源性。关于该类仪器的校准，目前，国内普遍采用间接比对的方式来完成。具体做法是先分别采用传统的电压互感器标准装置和低校高式电压互感器现场校验仪对一特定的PT（即比较样品）进行校准，取二者之差作为测量结果。但实际上，由于比对样品准确度等级、补偿类型、稳定性和实际负荷等的不同，不同实验室对同一台低校高式电压互感器现场校验仪的校准结果难以实现一致性。表1 给出了采用不同比对样品′ 校准结果，两只样品经过考核均具备较好的短期稳定性，样品1 为0.2 级电压互感器，样品2 为0.5 级电压互感器，两只样品的量限均为10000V/100V。由表1 可知，比对样品不同，其校准结果亦不相同，采用间接比对法难以实现不同校准实验室间量值的一致性。

关于低校高式电压互感器现场校验仪的校准方法，文献[5]、[6]提出了在分部件校准后采用特殊变比标准电压互感器进行整体检定的方法，但实际上这些特殊变比（如550V/9.1667V）的电压互感器，其量值溯源性难以保证。

表1 间接比对法校准数据

鉴于以上两种校准方法存在的问题，本文推荐采用“标准电压互感器法”，采用该方法时，应确保装置中的标准电压互感器非双级结构或采用特殊补偿，且具备较高的准确度、稳定性和带载能力，以克服接线等带来的影响。采用“标准电压互感器法”的具体步骤如下：

1）采用互感器校验仪整体检定装置对低校高式电压互感器现场校验仪内附互感器校验仪进行校准，应确保其准确度达到2 级；

2）采用0.01 级标准电压互感器对低校高式电压互感器现场校验仪（准确度为0.05 级）进行校准，应确保其准确度达到0.05 级；

3）选择短期稳定较好且二次负荷较大的电压互感器作为比对样品，分别采用传统差压装置和低校高式电压互感器现场校验仪在不同二次负荷下进行比对，比对结果应符合式（3）和式（4）要求。

式中，fmax和δmax分别为不同负荷下低校高式校验仪与传统差压装置的比值差差值和相位差差值的最大值，fmin和δmin分别为不同负荷下低校高式校验仪与传统差压装置的比值差差值和相位差相位差差值的最小值，f和δ为电压互感器现场校验仪的误差限值。

2.2 校准系统的实现

图2 给出了采用标准电压互感器、自动切换装置以及相应的上位机软件构成电压互感器现场校验仪校准系统。图中，标准器由0.01 级标准电压互感器构成，自动切换装置用于实现标准器一次绕组和二次绕组档位的切换。被校电压互感器现场校验仪的校准数据通过显示屏显示或通过RS232-USB接口在上位机显示。为了便于对校准数据的分析，校准软件采用模块化设计，图3 为上位机操作界面。基于以上校准系统的测量结果如表2 所示。表2 给出了两种不同型号电压互感器现场校验仪10000V/100V′ 校准数据，值得一提的是，虽然两台校验仪的校准数据均符合0.05 级误差限值要求，但应按2.1 步骤3 完成不同负荷下的比对验证后，才能对被校低校高式电压互感器现场校验仪的整体计量性能进行符合性判定。

图2 低校高法校验仪校准接线图

图3 操作界面

表2 量程为10000V/100V时的校准结果

3 校准结果的不确定度分析

低校高式电压互感器现场校验仪校准结果的不确定度来源主要有：测量值不重复引人的不确定度；校准装置引人的不确定度；负载响应能力引人的不确定度以及电压互感器现场校验仪误差修约引人的不确定度等。限于篇幅，本文仅对10000V/100V档、100%额定电压时的比值差测量结果的进行不确定度评定。

电压互感器现场校验仪比值差的数学模型为：

式中，fx为被校电压互感器现场校验仪比值差；f0为被校电压互感器现场校验仪比值差显示值；f1为测量不重复引人的误差；f2为电源不稳定性引人的误差；f3为负载响应能力引人的误差；f4为数据修约引人的误差。

1）测量不重复引人的不确定度分析：用标准电压互感器，在10000V/100V档、100%额定电压点时，在重复条件下进行10 次独立测量得到测量列（每次测量均重新接线），见表3。

表3 重复性试验数据

引人的不确定度为：

2）校准装置引人的不确定度分析：校准装置引人的误差不大于被校电压互感器现场校验仪基本误差限值的1/5，引人的不确定度按均匀分布估计为：

3）电源不稳定引人的不确定度分析：电源的实际频率与50Hz偏离的数值不大于0.05Hz，相对误差为0.1%，对于0.05 级电压互感器现场校验仪，会带来1/10 的影响。引人的不确定度按均匀分布估计为：

4）负载响应能力引人的不确定度分析：当负载响应时电压互感器现场校验仪输出信号的变化根据实际情况的合理性，确定为1/10，按正态分布估计为：

5）数据修约引人的不确定度分析：0.05 级电压互感器现场校验仪比值差的修约间隔为0.005%，分散区间的半宽为0.0025%，误差修约引人的不确定度按均匀分布估计为：

将以上各不确定度分量进行合成，各不确定分量不相关，各灵敏度系数为1，合成标准不确定度为：

扩展不确定度为：

电压互感器现场校验仪100%额定电压时比值差最大允许误差为0.05%，故校准结果的扩展不确定度U＝0.015%可满足校准要求。

4 结论

根据上述分析，传统间接比对法校准存在比对样品的合理选择问题，因选择的比对样品不同，其校准结果也不同，影响不同实验室间校准结果的一致性和可比性；文献[6]所提出的溯源方法从理论上是可行的，但基于特殊变比的标准装置，其溯源难以保证；本文所提出的“标准电压互感器法”对于省级计量技术机构较为容易实现，但采用该方法时，应确保装置中的标准电压互感器非双级结构或采用特殊补偿，且具备较高的准确度、稳定性和带载能力，以克服接线等带来的影响。

采用“标准电压互感器法”容易实现不同实验室间量值的一致性和可比性，但要对低校高式电压互感器现场校验仪进行符合性判定，还应确保被校内附互感器校验仪准确度达到2 级；在不同负荷下的误差数据与传统差压法的比对结果符合式（3）和式（4）要求。唯有如此，低校高式电压互感器现场校验仪才能用于电压互感器的检定。

基于“标准电压互感器法”的不确定度分析结果表明，所构建电压互感器现场校验仪校准系统可用于开展电压互感器现场校验仪的校准工作。