工频电流比例标准辅助标准校准线路分析及不确定度评定

刘 罡 ，曹 兵 ，李风泽 ，姜春阳 ，房 琛

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 ，辽宁 沈阳 110006；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074；3.大连电力建筑工程公司，辽宁 大连 116021）

0 引言

工频电流比例标准作为标准电流互感器量值传递的源头，其校准技术水平对区域内电力生产、电能计量、贸易结算及科学研究均有着重要影响。国网辽宁省电力有限公司计量中心工频电流比例标准的主标准由0.000 02级电流比较仪、0.000 1级电流比较仪、0.000 5级电流比较仪构成。3台电流比较仪通过自校线路、比较线路、加法和测β线路、乘法和除法线路可完成一次电流为0.1～5000A、二次电流为5 A的电流比较仪全部变比的校准，可对0.002级及以下同变比的标准电流互感器进行量值传递。然而，二次电流为1 A或者一次电流为10 000 A的标准电流互感器无法通过单台电流比较仪进行量值传递，需引入1台辅助标准，通过主标准和辅助标准组成除法或乘法线路完成上述变比的量值传递，辅助标准本身的量值复现需通过已完成校准的主标准器完成。

1 辅助标准校准方法分析

工频电流比例标准辅助标准选用0.000 2级一次电流为10 A，5 A，二次电流为5 A，1 A的补偿式电流比较仪，故一共有4个变比，其中，5 A/5 A采用自校线路校准，10A/5A采用比较线路校准，10 A/1 A和5 A/1 A采用除法线路校准，以下对3种不同的方法分别进行分析。

1.1 5 A/5 A变比校准

5 A/5 A变比的校准采用自校线路，如图1所示。N1为一次绕组，N2为二次绕组，NB为二次补偿绕组，ND为调零绕组，Txa为外附辅助电流互感器。与空载式自校准线路［1］不同，辅助标准由于在应用中二次侧需级联另一台电流比较仪构成除法线路或乘法线路，故采用分离式自校准线路更为合适，二次绕组N2的非极性端和二次补偿绕组NB的非极性端需要断开。5 A/5 A变比的校准误差用εk表示，数值等于校验仪HEG1的读数ε，即εk=ε。

图1 5 A/5 A变比的校准线路

1.2 10 A/5 A变比校准

10 A/5 A变比的校准采用比较线路，如图2所示。T0为标准电流比较仪，由于标准电流比较仪采用分离式校准线路，故选用已知分离式校准线路误差、准确度等级为0.000 1级的B号主标准更为合适。TX为被检电流比较仪，即该辅助标准。标准、被检电流比较仪的变比均为10 A/5 A。N1为一次绕组，N2为二次绕组，NB为二次补偿绕组，ND为调零绕组，Toa为标准电流比较仪外附辅助电流互感器，Txa为被检电流比较仪外附辅助电流互感器。由于辅助标准的准确度等级为0.000 2级，只比标准电流比较仪高一个准确度等级，故10 A/5 A变比的校准误差εk在数值上等于互感器校验仪示数ε加上标准电流比较仪的误差值 ε0，即 εk=ε+ε0。

1.3 10 A/1 A和5 A/1 A变比校准

10 A/1 A和5 A/1 A变比的校准采用除法线路。除法线路的组合方式有多种，为减小标准器对被检设备的影响，选用待测辅助标准D和0.000 02级电流比较仪A级联同0.000 1级电流比较仪B比较的方式，校准线路如图3所示。待测辅助标准的一次侧和电流比较仪B的一次侧串联并同升流器相连，待测辅助电流比较仪的二次侧和电流比较仪A的一次侧级联，电流比较仪A的二次侧和电流比较仪B的二次侧分别同互感器校验仪相连构成测差线路K，D 和供电电路 T0，TX［2］。 当测量辅助标准 10 A/1 A误差时，电流比较仪B变比为50 A/5 A，电流比较仪A的变比为5 A/5 A；当测量辅助标准5 A/1 A误差时，电流比较仪B变比为25 A/5 A，电流比较仪A的变比仍为5 A/5 A。该种组合方式由于电流比较仪A比待测辅助标准高3个准确度等级，故测量误差或评定不确定度可不考虑电流比较仪A［2］。辅助标准校准误差εk在数值上等于互感器校验仪示数ε加上电流比较仪 B 的误差值 εB，即 εk=ε+εB。其中，电流比较仪B运行在分离式线路下。

图2 10 A/5 A变比的校准线路

图3 10 A/1 A和5 A/1 A的校准线路

2 测量试验

依据JJG 313—2010《测量用电流互感器》检定规程［3］以0.000 02级和0.000 1级电流比较仪为标准器校准待测辅助标准，得到辅助标准单次测量的比值误差 u0（x） 和相位误差 φ0（x），如表1所示。 表1中辅助标准各变比的误差均满足0.002级要求，误差值满足要求。

表1 辅助标准单次测量误差

3 不确定度分析和评定

辅助标准的不确定度评定方法可简化采用标准电流互感器不确定度评定方法，按照测量重复性、标准器和互感器校验仪3方面进行评定［4-5］。

3.1 测量重复性

测量重复性引入的不确定度为A类不确定度，其主要由电源频率波动、环境电磁场影响、升流器接触电阻变化等引起，因此需要进行不少于6次的独立测量。对该辅助标准在cos φ=1，额定负荷为5 VA，额定电流为20%条件下进行6次独立测量，得到各变比重复性引入不确定度如表2所示。选取各变比比值误差和相位误差不确定度最大值，得到比值误差 u1（x）=0.7×10-8，相位误差 φ1（x）=0.9×10-8rad。

表2 辅助标准重复性引入不确定度

3.2 标准器

校准辅助标准需使用0.000 02级和0.000 1级电流比较仪2台标准器，由于0.000 02级电流比较仪准确度等级远高于被检辅助电流比较仪，故进行不确定度评定时，仅需考虑0.000 1级电流比较仪即可。该电流比较仪主要由加法线路、测β线路、乘法线路和比较线路得到，经算得，比值误差u2（x）=11.4×10-8，相位误差 φ2（x）=12.8×10-8rad。

3.3 互感器校验仪

依据JJF 1068—2000《工频电流比例标准装置》校准规范［6］，互感器校验仪引入的不确定度分量近似等于 0.1εmax/1.7，其中 εmax为被检电流比较仪的最大允许误差，将0.000 1级电流比较仪的最大允许误差带入，得到比值误差 u3（x）=5.88×10-8，相位误差φ3（x）=5.88×10-8rad。

3.4 合成不确定度的计算

依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》校准规范，在各分量互不相关条件下，合成标准不确定度比值误差，相位误差，最终得到辅助标准不确定度的统计表，如表3所示。

表3 辅助标准不确定度统计表

4 扩展不确定度计算和最佳估计值判断

由于对辅助标准各变比最佳估计值判断需提供对应误差值的扩展不确定度，故需先将求得的标准不确定度转化为扩展不确定度。依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》校准规范［7］，扩展不确定度U采用式（1）计算。

式中：k为扩展因子，k值的大小与包含概率p的关系如表4所示。本文中k取1.96，表示误差值有95%的概率落在k=1.96下的扩展不确定度区间内。

由表3算得包含概率为95%时辅助标准的扩展不确定度为 25×10-8，相位误差为 28×10-8rad。

综上，结合表1得到辅助标准最终的最佳估计值判断如表5所示，并认为有95%的概率在对应的包含区间内。

表5 辅助标准单次测量误差

5 结语

对工频电流比例标准的辅助标准自校线路、比较线路和除法线路分别进行分析，给出各变比单次测量试验数据，并简化采用电流互感器不确定度评定方式，从重复性、计量标准器、互感器校验仪3方面对辅助标准的不确定度进行了评定，计算出扩展不确定度，最终给出了各变比的最佳估计值，为今后采用辅助标准进行二次电流为1 A或一次电流为10 000 A情况下的量值传递打下基础。