电缆外护层接地电流校准及不确定度评定*

江翼，冯振新，周玮，曹文彬，付济良，王先培

(1.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074；2.武汉大学 电子信息学院，武汉 430072； 3.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074)

0 引 言

随着城市的发展，大量单芯电缆的运行导致电缆的负荷日益增大。国家电网对电缆外护层的带电测试统计可知，外护层上的感应电压在正常情况下的值为20V以下[1-2]。

接地电流的检测是判断电缆是否安全的一个重要指标，按照《变电设备带电检测工作指导意见》的要求，带电检测装备需定期执行检查或比对，建立健全电缆外护层接地电流带电检测仪和计量标准装置的评价和检查比较是非常必要的。然而，以前校准是在实验室环境比对进行的，现场环境对电缆外护层接地电流的校准过程中是不能拆卸设备的，还要考虑背景电流干扰的问题。

采用基于磁平衡式霍尔原理与消隐输入标准信号的实时校准方法，使用基于磁平衡式霍尔原理的电流传感器准确地收集设备中的背景渗出电流[3-7]，然后通过标准信号源逐次输入与背景渗出电流大小相等方向相反的电流信号和标准点电流信号，达到背景渗出电流对校准过程的影响在不中断电源和不拆卸相关装置的情况下被消除的目的。

1 电缆外护层接地电流基本原理

电缆外护层主要有单端接地方式和交叉互联接地方式，对于输电距离较长的高压电路，有时也采用这两种接地方式结合的办法[8]。高压电缆由于其结构的特殊性，如果接地方式不当，从电磁学的原理上这将必然引起保护层上出现感应电压，此感应电压会在保护层上形成很大的感应电流，需要对电缆的护层接地电流进行带电检测，以判断电缆是否处于安全运行阶段[9]。通过对电缆外护层接地电流的取样，将接地线上的大电流转化到合适的范围内，并利用A/D转换电路，将电流数字化，并通过数据处理单元实现对护层电流的检测。

为保证设备的量值准确性和可靠性，设计了电缆外护层接地电流带电检测标准装置如图1所示，由标准的外护层接地电流测量装置组成。

图1 电缆外护层接地电流带电检测标准装置Fig.1 Standard device for detection of grounding current charged in cable outer sheath

在实验室进行测量设备的校准时，其中作为标准源的交流电流源用于输出标准的交流电流信号，而作为标准的外护层电流测量装置测出标准源输出的电流信号，并以此作为相对标准对被检测的设备装置进行示值误差以及标准差等进行校准[10-11]。

2 电缆外护层接地电流监测仪的校准

由电缆外护层接地电流特征和监测原理可知，采用标准信号源输入法校准电缆外护层接地电流监测仪，即使用标准信号源生成标准信号，输入到电缆外护层接地电流监测仪中，再将监测仪的测量值和标准源生成的标准值相互比较，来达到对监测仪的科学校准的目的。鉴于现场会有背景渗出电流对校准过程出现扰动，采用基于磁平衡式霍尔原理和消隐输入标准信号的方法现场对电缆外护层接地电流监测仪进行校准。

2.1 基于磁平衡式霍尔原理的电流传感器

准确提取的设备中背景渗出电流是现场环境分析的关键。单匝穿心电流传感器在接通时不影响高压装置的电气主接线，而且次级失效时对初级高压的常规运作没有影响，因此仪器背景渗出电流由标准信号源预先抵消是收集背景渗出电流的更好方式。一般的电流传感器的精度[12]往往仅能达到3%～5%，无法达到某些重要装置的绝缘监测要求。基于研究，磁平衡式霍尔原理的电流传感器更满足电力系统绝缘实时监测的要求。

当电流传感器的励磁涌流是“磁平衡”状态，这是电流传感器的电流输出表现为较好的线性，比值误差和相角误差为零。但这只是理想的状态，当电缆外护层中的磁通为零(即I0=0)时，初级和次级的信号无法达到互动，电流传感器就无法运作。现在已有的高精度电流传感器上加入有源电子补偿线路，达到实时检测电缆外护层中的励磁涌流并对其进行补偿，原理如图2所示。

图2 磁平衡式霍尔电流传感器原理图Fig.2 Schematic diagram of zero flux current sensor

如图2所示，N1、N2分别为输入绕组、输出绕组，N0为检测绕组，N3为补偿绕组。没有补偿时：

I1N1+I2N2=I0N1

(1)

式中I1为初级线圈的电流值；I2为次级线圈的电流值；I0为电缆外护层中的励磁涌流。在电子线路增加补偿时，电缆外护层中的磁平衡方程为:

(2)

2.2 消隐输入标准信号源法

该方法是根据节点电流定律而产生的，具体操作过程：若有两条各连支电流输入各连支节点，且二者的幅值大小相等、相位间存在180°的差值，则流过各连支的总电流为零。当通过电缆外护层接地电流监测装置的传感器的电流为零时，这种情况等同于将原放于变电站的实时监测装置的传感器重新放入实验室环境中。现场校准原理如图3所示。

图3 现场校准原理图Fig.3 Schematic diagram of online calibration principle

如图3所示，通过除去背景电流渗出对现场环境中校准数据的影响，证明监控设备中有已有误差。在输入标准信号以前，首先使用磁平衡式霍尔电流传感器来获得检测仪器中电缆外护层接地电流；然后通过负回馈方法输入与电缆外护层接地电流幅值及各项谐波分量相同，相位差为180°的电流，从而使得流经监控设备的电流为零；再输入标准电流信号进行校准。其中，输入的电流标准信号是具有可知谐波含量和幅度、相位可控的交直流混频电流，可以显著地表示在通常工作环境下电缆外护层接地电流的变换特征。

3 不确定度分析

按照如图4所示的电路图进行接线，被检仪器的测试线圈(卡钳)水平面卡住电流线，并开始测试。

选择被检仪器最小可测量电流值(允许电流偏差 0～30%)、最大可测量 电流值(允许电流偏差-10%～0)以及0.1 A～500 A范围内共计7个不同的电流值进行检测。

图4 校准接线图Fig.4 Calibration wiring diagram

通过调整标准电流源的输出，测试被检仪器从低量程到高量程各量程的电流示值及符号显示，记录标准电流源输出电流值Ir和被检仪器读数It。

针对电缆外护层接地电流测量采用的交流电流表的校准，其中，校准钳形电流表的环境条件如表1所示。

表1 校准钳形电流表的环境条件Tab.1 Environmentalconditions for calibrating clamp ammeter

校准结果不确定度分析的流程如图5所示。

图5 校准结果不确定度分析的流程图Fig.5 Flow chart of uncertainty analysis of calibration results

3.1 不确定度分析

影响相对介损计量标准装置校准结果的不确定度因素如下[13-17]：

(1)A类不确定度，主要来源于介损测试仪的测量重复性；

(2)B类不确定度，主要来源于相对介损标准装置的测量准确性。

3.2 建立数学模型

由校准原理可知，带电检测仪示值误差校准的数学模型为：

ΔIt=It-Ir

(3)

式中ΔIt为被校验仪器示值误差；It为被校测试仪介损因数测量值；Ir为校验电流标准值。

3.3 标准不确定度评定

3.3.1 标准不确定度的A类评定

因电容型装置相对介损测试仪的测量重复性引起的A类不确定度用u1表示。在环境温度(20±5)℃、相对湿度<60%,大气压(86-106)kPa，电源(220±22)V，(50±1)Hz的实验室条件下对针对校验测试仪的阻性电流为20A的点进行测量，独立重复20次获得测量结果，结果如表2所示。

表2 独立重复实验测量结果Tab.2 Independently repeated experimental measurement results

得到算术平均值：

(4)

一次实验的标准差：

(5)

标准不确定度u1为：

u1=Sn=0.252

(6)

3.3.2 标准不确定度的B类评定

由校准装置测量的准确度，即校准装置的最大允许误差所引起的B类不确定度用u2表示。

当电流>10A时，该校验装置的电流最大允许误差为±(1.5%读数±0.05)，即等于对应的分散区间的半宽；

当电流≤10A时，该校验装置的电流最大允许误差为±(2%读数±0.1)，等于对应的分散区间的半宽；

(7)

3.4 各不确定度分量汇总计算

由于各输入量之间的关系均不相关，通过分析影响校准结果的不确定性来源，我们可以用下面的公式来计算标准不确定度：

(8)

由式(8)可知：

(9)

3.5 扩展不确定度

当得到校准结果时，相对扩展不确定度U值的通常是将合成标准不确定度uc乘上包含因子k，取k= 2并转换成相对扩展不确定度：

U=k×uc=0.518

(10)

4 校准结果的验证

对校准结果的验证采用量值传递法。通过选取一个更好的介损测试仪来用作本实验需要校准的对象，首先用本实验室设计的校验装置对其进行校准以获得测量数据。然后将其送到国家高电压计量站，在那里使用另一个更先进的校验装置对其进行校准获得测量数据。通过公式求出二者的校准结果，以此来验证实验的合理性。

验证结果应满足如下要求：

(11)

式中y和U分别为本实验室的样品校准值和校验装置校准结果的不确定度值；y0和U0分别为国家高电压计量站的样品校准值和校准结果的不确定度值。表3列出了本实验室和国家高压计量站的样本校准值和不确定度值的相关数据。

表3 验证结果Tab.3 Verification results

图5 本实验室数据对比国家高电压计量站数据Fig.5 Comparison of national laboratory high voltage metering station data with this laboratory data

5 结束语

通过研究电缆外护层接地电流计量标准装置的工作原理和实际工况，基于磁平衡式霍尔原理与消隐输入标准信号的实时校准方法，根据标准装置工作原理，设计合理有效的试验方案，在实验室环境下校准带电检测仪。通过试验测量并计算了校准结果的不确定度，计算结果证明了所提出的电缆外护层接地电流现场校准方法。希望能够为高电压计量仪器的校准工作提供一定的借鉴意义。