10 kV双级电压互感器校准线路分析及校准结果不确定度评定

刘 罡，尚 莹，刘 璐，刘 晨,曹 兵

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 ，辽宁 沈阳 110006)

500 kV工频电压比例标准主要由单盘感应分压器、七盘感应分压器、10 kV双级电压互感器、110 kV精密电压互感器、220 kV标准电压互感器、500 kV标准电压互感器等6套主标准器组成[1]。本文对10 kV双级电压互感器的校准线路和不确定度进行分析。

1 校准线路分析

与感应分压器类主标准器采用同变比自校和参考电势法有所不同，互感器类的主标准器采用低端参考点标定和高端串联加法自校的方式完成量值复现。对于10 kV双级电压互感器，低端参考点标定采用单盘感应分压器和七盘感应分压器级联构成八盘感应分压器的方式完成，由于单盘感应分压器的最高允许工作电压为1 500 V，故低端参考点标定的最高升压档位为10 kV双级电压互感器额定电压的15%(通常取7.5%、10%、15% 3个档位)，其余电压档位需通过串联加法自校的方式完成[2]。下面对参考点标定和串联加法自校两种方法分别加以分析。

1.1 参考点标定

参考点标定的校准线路如图1所示。线路主要由10 kV双级电压互感器、单盘感应分压器、七盘感应分压器、升压器和互感器校验仪组成[3]。升压器、10 kV双级电压互感器、单盘感应分压器的一次侧并联；七盘感应分压器的比例绕组AX与单盘感应分压器比例绕组的1/10段相连，励磁绕组A0X0与单盘感应分压器励磁绕组的1/10段相连；10 kV双级电压互感器的励磁绕组a′x′与互感器校验仪的Uref和O端子相连，比例绕组a与互感器校验仪的UX相连，比例绕组x与地相连；七盘感应分压器的输出端和互感器校验仪的UN端子相连； 10 kV双级电压互感器的变比设置为10 kV/100 V，单盘感应分压器采用10段方式连接，七盘感应分压器的7个盘调节为0.100 000 0，升压器的一次侧设置为2 kV，互感器校验仪的工作电压设置为100 V。在上述条件下，对10 kV双级电压互感器进行参考点标定，试验数据如表1所示[4]。试验时为消除电源对测量误差的影响，采用正反向电源分别测量取平均值的方式记录数据。

图1 参考点标定的校准线路

项别额定电压/V正向电源误差反向电源误差平均值750-18.0-3.68-10.841 000-16.1-5.68-10.89比值误差/(10-6)1 500-15.3-6.36-10.83750-7.929.00.541 000-5.226.60.69相位误差/(10-6rad)1 500-3.745.10.68

1.2 串联加法自校

1.2.1 全电压测量线路

全电压测量线路采用10 kV双级电压互感器为被检电压互感器，上级标准为5 kV隔离电压互感器，下级标准为6 kV双级电压互感器(工作电压为5 kV)。上级标准和下级标准的一次侧和二次侧分别串联作为一个整体，完成对10 kV双级电压互感器的校准。其校准线路如图2所示，升压器使用2个抽头，高压抽头为10 kV，完成对6 kV双级电压互感器和隔离电压互感器一次侧的头端加压；中压抽头为5 kV，对隔离电压互感器一次侧的尾端和6 kV双级电压互感器一次侧的首端强制升为5 kV，达到上级标准器和下级标准器各承担5 kV电压的效果[5-6]。全电压试验的测量结果用εa表示。

图2 全电压测量线路

1.2.2 上级标准半电压测量线路

上级标准半电压测量线路如图3所示，采用上级标准5 kV隔离电压互感器为标准电压互感器，10 kV双级电压互感器为被检电压互感器，升压器的一次侧电压采用5 kV的中压抽头。半电压试验的所有试验电压均为全电压时的一半，即需完成7.5%～63.5%额定电压下的测量。上级标准半电压试验的测量结果用εb表示。

图3 上级标准(下级标准)半电压测量线路

1.2.3 下级标准半电压测量线路

下级标准半电压测量线路如图3所示，不同之处为试验的标准器由5 kV隔离电压互感器改为6 kV双级电压互感器(工作电压为5 kV)。采用的变压器抽头和试验电压与上级标准半电压测量线路完全相同。下级标准半电压试验的测量结果用εc表示。

1.2.4 电压系数的计算

依据JJF1067—2014《工频电压比例标准装置校准规范》，电压系数△的计算由式(1)表示：

(1)

在全电压测量线路下15%～127%额定电压下的测量结果εa和上、下级标准半电压测量线路7.5%～63.5%额定电压下的测量结果εb、εc分别进行测量，并由式(1)计算得到15%～127%额定电压下10 kV双级电压互感器电压系数结果，如表2所示。

表2 电压系数计算结果

1.2.5 最终测量结果

10 kV双级电压互感器7.5%～15%额定电压下的测量结果由参考点标定线路直接得到，15%额定电压以上的测量结果由参考点标定结果和电压系数结果按照一定的算法得到，该算法如下：ε20=ε10+Δ20，ε40=ε20+Δ40,ε80=ε40+Δ80，ε30=ε15+Δ30，ε60=ε30+Δ60，ε120=ε60+Δ120，ε50=0.4ε20+0.6ε30+Δ50，ε70=0.45ε30+0.55ε40+Δ70，ε90=0.5ε40+0.5ε50+Δ90，ε100=ε50+Δ100，ε110=0.5ε50+0.5ε60+Δ110，ε127=0.7ε60+0.3ε70+Δ127。在该算法下，得到10 kV双级电压互感器的最终测量结果，如表3所示。

2 校准结果不确定度评定

依据JJF1067—2014《工频电压比例标准装置校准规范》并取主要分量，10 kV双级电压互感器不确定度来源主要由以下几部分组成：重复性条件下参考点标定引入的不确定度分量u(x1)、重复性条件下电压系数计算引入的不确定度分量u(x2)、误差测量装置引入的不确定度分量u(x3)、屏蔽误差引入的不确定度分量u(x4)。

表3 最终测量结果

2.1 重复性条件下参考点标定引入的不确定度分量

重复性条件是指在正常和正确操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，并在短期内对相同被试品所作多个单次测试结果。本文中参考点标定的重复性测量是指对1.1节参考点标定线路进行6次重复性测量，并采用贝塞尔公式计算试验标准偏差，取7.5%、10%、15%额定电压下试验标准偏差的最大值。经计算得到重复性条件下参考点标定引入的不确定度分量比值误差u(x1)=1.73×10-6，相位误差u(x1)=1.81×10-6

rad。

2.2 重复性条件下电压系数计算引入的不确定度分量

与2.1节相同，重复性条件下电压系数计算引入的不确定度分量是指对1.2节中串联加法自校线路进行6次重复性测量，并采用贝塞尔公式计算试验标准偏差，取15%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、110%、120%额定电压下试验标准偏差的最大值。经计算，得到重复性条件下电压系数计算引入的不确定度分量比值误差u(x2)=1.22×10-6，相位误差u(x2)=2.34

×10-6rad。

2.3 误差测量装置引入的不确定度分量

误差测量装置引入的不确定度主要由互感器校验仪引起，由u(x3)=0.1εmax/1.7得到,εmax为校验仪测量读数最大绝对值。对2.1节参考点标定和2.2节电压系数计算6次重复性测量所有数据进行统计，得到比值误差εmax=11.2×10-6，相位误差εmax=2.0×10-6rad。故校验仪引入的不确定度比值误差u(x3)为0.7×10-6，相位误差u(x3)为0.2×10-6

rad。

2.4 屏蔽误差引入的不确定度分量

屏蔽误差采用倍压区间(参考点标定线路下15%额定电压测量值与7.5%额定电压测量值之差)6次测量平均值与电压系数(串联加法线路下15%额定电压测量值)6次测量平均值的偏差计算。计算比值误差u(x2)=3.4×10-6，相位误差u(x2)=3.3×10-6rad。

3 合成标准不确定度及扩展不确定度的评定

合成标准不确定度由重复性条件下参考点标定引入的不确定度分量u(x1)、重复性条件下电压系数计算引入的不确定度分量u(x2)、误差测量装置引入的不确定度分量u(x3)、屏蔽误差引入的不确定度分量u(x4)组成，由于四分量相关系数为0，故合成标准不确定度uc按式(2)计算：

(2)

扩展不确定度由相应的合成标准不确定度乘以包含因子按式(3)计算得到[7],其中包含因子k=2：

U=kuc

(3)

由式(2)、式(3)得到合成标准不确定度和扩展不确定度如表4所示(扩展不确定度保留2位有效数字，最后1位进位)。

4 结束语

本文对10 kV双级电压互感器的自校准线路进

表4 合成标准不确定度和扩展不确定度

行了分析，并给出了参考点标定和串联加法的单次测量试验数据。从4个方面对校准结果的不确定度进行了评定，最终给出了合成标准不确定度和扩展不确定度。本文对单次测量试验数据和校准结果不确定度数据同上级单位的校准证书进行比较，数据结果均在合理范围。本次试验的量值复现为工频电压比例标准下一级主标准器110 kV精密电压互感器的自标准工作打下了良好的基础。