短时过电流试验设备的校准周期确定

王 晨，庞富宽，魏彤珈，韩 迪，李文文，汪 洋，崔文武

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045)

0 引言

国家试验室严格按照国家检定规程、校准规范等开展检定、校准和检测服务工作。为保证检定/校准/检测结果的准确性和有效性，以及本单位与外部权威机构所出具数据结论的一致性，必须配备符合相应检定/校准/检测规范的设备，并将设备定期溯源至国家认证机构[1-2]。

依据GB/T 17215.322-2008《交流电测量设备》短时过电流试验技术要求，短时过电流试验设备应用在各个试验室，检验电能表需具备承受瞬时过电流的能力及安全性能[3-4]。校准短时过电流试验设备属于试验室内部校准活动，目前无可参考的检定规程和校准规范明确规定其校准周期。为保证设备连续、有计划地按照校准的时间间隔开展校准工作，确认校准周期是试验室设备管理非常重要的内容。如果校准周期设定过短，设备不会出现超差，但是会增加校准人员的工作量，影响其他工作的正常开展。相反，如果校准周期设定过长，设备容易出现器件烧坏等风险，影响电能表的检测结论，甚至发生安全事故，损失惨重。因此，确定短时过电流设备的合理校准周期是试验室管理的一项重要课题[5-7]。

通过参考JJF 1139-2005《计量器具检定周期确定原则和方法》和CNAS-TRL-004：2017《测量设备校准周期的确定和调整方法指南》，运用具体算法，并且基于设备的工作原理、使用年限和频次、试验室环境、校准人员的专业能力及数量、历次校准结果等，合理确定短时过电流试验设备的校准周期，从而高效管理试验室设备[8-9]。

1 短时过电流试验设备介绍

将短时过电流试验设备接入工作电源，预热10 min后，根据升流器原理，调整自耦变压器升压整流，达到试验标准要求的电流值后，向电容器组充电；受触发电路控制，向经电流互感器接入式的电能表施加持续时间为0.5 s的20Imax(允许误差为-10%～0)。试验结束后，确认电能表功能和性能未降低、电能量信息和时间信息等未发生紊乱后，关闭设备电源。

2 短时过电流试验设备的校准方法

按照经电流互感器接入式电能表最大电流(1.2 A和6 A)的规格，缓慢转动旋钮，使试验设备输出24 A和120 A的电流波形，并通过电流探头传送至数字示波器，最终测得电流值和持续时间。校准原理框图如图1所示[10]。

图1 校准原理框图

根据校准原理，校准短时过电流试验设备的测量函数式为：

(1)

ΔT=T1-T标

(2)

式中：ΔI为电流的绝对误差值;ΔT为电流持续时间的绝对误差值，与试验设备的属性相关；I1、T1为数字示波器截取试验设备输出电流波形后，校准人员读取的电流值和持续时间值；KI为电流探头变比值；I标、T标分别为国家标准规定的电流值24 A、120 A以及持续时间0.5 s。

校准过程中存在系统效应和随机效应，校准结果仅为估计值。测量不确定度直接关系到校准结果的准确性。依据JJF 1059.1-2012开展的测量不确定度评定主要受以下几类因素影响，包括校准人员的专业能力及数量、试验室的综合环境、校准试验设备的方法、试验设备的准确度、设备多次试验后的稳定性、重复试验后试验设备的可靠程度等。试验室在国家标准规定范围内，即温度为(23±2)℃、湿度为(60±15)%。校准试验设备的方法、设备多次试验后的稳定性、重复试验后试验设备的可靠程度等是评定试验设备校准结果不确定度的主要因素[11]。

经计算，取包含因子k=2，得出电流I绝对误差对应的扩展不确定度为：

(3)

式中：U(ΔI)为电流I绝对误差对应的扩展不确定度值；uC(ΔI)为电流I绝对误差对应的合成标准不确定度值；uA(ΔI)为在同样校准方法、校准人员不改变、试验设备不移动位置等情况下，重复校准用统计分析方法得出的电流标准不确定度值；uB(I1)为参考数字示波器校准证书及输出电流最大允许误差值得出的电流标准不确定度值；uB(KI)为参考电流探头校准证书，得出变比误差、准确度的电流标准不确定度值。

同理，取包含因子k=2，持续时间T绝对误差对应的扩展不确定度为：

(4)

式中：U(ΔT)为T绝对误差对应的扩展不确定度值；uC(ΔT)为T绝对误差对应的合成标准不确定度值；uA(ΔT)为在同样校准方法、校准人员不改变、试验设备不移动位置等情况下，重复校准用统计分析方法得出的持续时间标准不确定度值；uB(T1)为参考数字示波器校准证书及电流持续时间最大允许误差值得出的持续时间标准不确定度值。

3 短时过电流试验设备的校准周期确定方法

确定短时过电流试验设备的合理校准周期，需要考虑试验设备的使用年限及使用频次、环境条件的影响、校准结果的不确定度、试验设备的最大允许误差、试验设备技术升级改造等因素。短时过电流试验设备固定放在某一个试验室，如无特殊要求，不会改变位置，使用频次较低。然而，电流探头和数字示波器使用较频繁，校准周期是1～2年，参考校准证书的测量不确定度满足标准要求，使用期间未损坏，质量可靠。短时过电流试验规定的技术参数不发生改变。若短时电流试验规定的技术参数(如允许误差限值)不发生改变，则试验设备也不需要调整或变化。在未形成正式文件前，综合以上因素考虑，设定短时过电流试验设备的初始校准周期为2个月。

为减轻校准人员工作量、提高工作效率，需要调整试验设备的校准周期。调整方法包括反应调整法、期间核查法和最大似然估计法。

3.1 反应调整法

反应调整法包括简单反应调整法和增量反应调整法，是基于试验设备的历次校准结果调整其校准周期。该方法简单并且方便应用，试验室不再需要建立模型或预测未来的测量可靠性变化。增量反应调整法与简单反应调整法相比，其优点在于可改善周期调整过程中偏离其“正确值”的负面影响因素。因此，以增量反应调整法确定试验设备的合理校准周期的方法更适用。

3.2 期间核查法

期间核查法适用于试验室配备核查标准，并且核查标准的准确度等级高于被核查设备的情况。试验室可通过期间核查结果，决定是否校准被核查设备。试验室无准确度等级高于短时过电流试验设备的核查标准，因此该方法不适用于调整校准周期。

3.3 最大似然估计法

最大似然估计法是采用似然函数的概率分布函数，评估被测试验设备超过最大允许误差限值的情况。该方法需要建立数学模型并分析其大量数据，以确定被测试验设备的检定时间间隔。最大似然估计法的缺点是研究时间周期长，不能尽快形成试验设备管理维护的正式文件，导致开展溯源工作极其不便。因此，本方法同样不适用于调整校准周期。

通过分析简单反应调整法、增量反应调整法、期间核查法、最大似然估计法，并比较其优缺点后，认为采用增量反应调整法调整校准周期较为恰当。

调整后的校准周期Im+1与调整前的校准周期Im的关系为：

Im+1=Im[1+Δm+1(-R)1-ym+1(R)ym+1]

(5)

所需调整的时间增量Δm+1与调整前的时间增量Δm的关系为：

(6)

式中：Im为第m次校准时的校准周期，m为校准周期的调整序号；Δm为第m次校准周期调整的时间增(减)量；R为测量可靠性目标，由各个试验室自行设定，试验设备的测量可靠性目标R≥90%；ym为计算因子，第m次校准结果满足要求时ym=1，第m次校准结果不满足要求时ym=0。

4 试验结果分析

设定短时过电流试验设备的初始校准周期I0为2个月，R为90%，其历次校准结果如表1所示。表1中：K为扩展不确定度。

表1 校准结果

由表1可知，检验结果均满足标准要求。使用增量反应调整法，根据式(5)、式(6)可得：

T1=T0[1+Δ1(-R)1-y1(R)y1] ≈4(月)

T2=T1[1+Δ2(-R)1-y2(R)y2] ≈8(月)

T3=T2[1+Δ3(-R)1-y3(R)y3] ≈16(月)

T4=T3[1+Δ4(-R)1-y4(R)y4] ≈31(月)

对短时过电流试验设备开展4次校准工作，确认4次校准结果均满足国家标准要求，试验设备运行期间稳定无损坏。第4次校准工作结束后，确认校准时间间隔为31个月。依据CNAS-TRL-004：2017《测量设备校准周期的确定和调整方法指南》，明确规定试验设备的校准周期不宜超过3年。针对校准周期较长的试验设备，试验室应通过有效的技术手段(例如：期间核查)确认试验设备符合标准要求。短时过电流试验设备在使用期间未发生过大修、更换等问题，校准时间间隔逐渐增长；但是随着试验设备长期运行，容易发生超差、器件老化、烧毁等问题，导致校准结果不符合规范要求，故不建议设定较长的校准周期。为保证试验设备在使用过程中各项性能指标准确、可靠，除定期溯源外，如不增加校准人员的工作，不使用期间核查等其他技术核查试验设备，建议将校准周期确定为2年。

5 结束语

综上所述，基于校准短时过电流试验设备的方法、试验设备多次试验后的稳定性、重复试验后试验设备的可靠程度及历次校准结果，通过运用增量反应调整法，明确试验设备的校准周期，保证溯源的持续高效进行。在确定校准周期过程中，如试验设备未发生大修、更换等，校准人员按照校准周期溯源试验设备，工作效率与之前相比较显著提高;反之，试验室应重新确定校准周期或加强期间核查等其他技术手段，确保试验设备稳定可靠运行。