变压器用油面温控器温度开关测量不确定度探讨与评定

王海涛，董 亮，孙云飞，文 萌，郭 浩

(辽宁省计量科学研究院，辽宁 沈阳 110004)

检定或校准的不确定度是指表征合理的赋予被测量值的分散性或与检定或校准结果相联系的参数[1]。不确定度的评定在各行各业的测量工作中至关重要[2]。在温度计量中讨论的不确定度一般为稳态测量下的不确定度，但是在实际应用中存在很多动态测量的情况，变压器用油面温控器中开关接点的测量就是一种典型的动态测量。变压器用油面温控器用来测量变压器油箱油温，监视变压器运行状态是否正常，变压器油温与绕组老化关系非常密切[3]，绕组长期在高温下运行，可以导致绝缘层老化，减少变压器寿命[4]。油面温度计主要由弹性元件、毛细管、温包和动作开关组成。当温包受热时，温包内感温介质受热膨胀所产生的体积增量通过毛细管传递到弹性元件上，使弹性元件产生位移，经机构放大后指示出被测温度并带动断路器动作，从而控制冷却系统的投入或退出。因此油面温控器动作开关准确与否是衡量变压器油面温控器性能的一个重要指标。油面温控器开关动作误差测量结果不确定度评定需要充分考虑动态测量的影响。

1 试验设备及方法

依据DL1400—2015《油浸式变压器测温装置现场校准规范》[5]，校准油面温度计开关动作误差时，将被校温度计的传感器与标准温度计同时插入恒温油槽中，在接近设定点时，控制恒温油槽按照0.8～1.0 ℃/min 的升温速率缓慢升高温度，开关在上行程产生动作，并在动作瞬间读取标准温度计示值。试验采用自行研制的变压器油面温控器测量装置作为测试设备，该测量装置采用二等标准铂电阻温度计作为标准温度计，上位机控制PLC读取开关状态，扫描频率设定为1 Hz，恒温油槽在升温过程中温场均匀性不大于0.1 ℃。

2 不确定度分析

以1台BWY-804型变压器用油面温控器在55 ℃的开关动作误差为例进行不确定度评定。

2.1 数学模型

根据DL1400—2015《油浸式变压器测温装置现场校准规范》的定义，接点动作误差为

Δt=td-ts

(1)

式中：Δt为接点动作误差，℃；td为被校温度计接点动作瞬间标准温度计读数，℃；ts为被校温度计接点设定值，℃。

2.2 灵敏度系数

td和ts的灵敏度系数为

(2)

(3)

2.3 各分量标准不确定度评定

2.3.1 输入量td的标准不确定度u(td)评定

a.由温度开关动作温度的重复性引入的标准不确定度分量u1(td)

以55 ℃在重复性条件下对温度开关进行6次测量，测量值分别为55.5 ℃，55.7 ℃，55.6 ℃，55.4 ℃，55.3 ℃，55.5 ℃，平均值为55.5 ℃，单次测量的标准偏差为

(4)

由于实际测量中以二次平均值作为测量结果，不确定度分量为

(5)

b.由二等标准铂电阻温度计的周期稳定性引入的标准不确定度分量u2(td)

二等标准铂电阻温度计在检定周期内的稳定性，55 ℃时不超过0.014 ℃，按均匀分布考虑，不确定度分量为

(6)

标准温度表测量二等标准铂电阻温度计，在55 ℃时电测设备的最大允许误差为±0.02 ℃，按均匀分布考虑，不确定度分量为

(7)

d.由恒温油槽温度均匀性引入的标准不确定度分量u4(td)

经过测试，当升温速率为1 ℃/min时，恒温油槽的温度均匀性不超过0.10 ℃，按均匀分布考虑，不确定度分量为

(8)

e.由升温速率对动作温度的影响引入的标准不确定度分量u5(td)

升温速率对测量结果的影响主要是由于标准温度计和被检温度计响应时间不一致引起的。通过试验，在升温速率1 ℃/min时，对动作温度的影响不超过0.2 ℃，按正态分布考虑，不确定度分量为

(9)

f.开关扫描速率引入的不确定度u6(td)

按照程序设定，PLC完成1次开关状态扫描耗时1 s，当升温速率为1 ℃/min时，相邻2个扫描周期温度差值约为0.17 ℃，按照均匀分布，不确定度分量为

(10)

g.输入量td的标准不确定度u(td)

各输入量相互独立，分量合成不确定度分量为

=0.25(℃)

(11)

2.3.2 输入量ts的标准不确定度u(ts)

开关设定时，设定表盘的分度值为2 ℃，一般可以估计到1/10格，即0.2 ℃，按照均匀分布，不确定度分量为

(12)

2.4 合成标准不确定度

标准不确定度汇总表见表1。

合成标准不确定度计算为

(13)

2.5 扩展不确定度计算

取k=2，则扩展不确定度计算为

U=k×uc(Δt)=2×0.29≈0.6(℃)

(14)

3 结束语

通过对变压器用油面温控器温度开关测量结果的不确定度评定可以看出，动态测量与稳态测量存在较大区别。升温速率和扫描速率对不确定度的影响较大，在评定过程中应充分考虑。另外不同恒温设备在升温过程中温场均匀性与稳态状况下均匀性差别也较大，评定过程中需要通过试验来确定升温过程中温场的均匀性。

表1 标准不确定度汇总表