BLT5617 型电流比较仪除法线路分析及不确定度评定

刘 罡，周 浩，马婉忠，姜春阳

（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）

0 引言

电流比较仪自校准线路分为自校线路、比较线路、加法线路、乘法线路和除法线路。其中，电流比较仪除法线路主要分为传递标准除法线路和工作标准除法线路。传递标准除法线路用于校准1.5 A／5 A～5 A／5 A 变比，工作标准除法线路用于校准0.1 A／5 A～1.25 A／5 A 变比。在1.5 A／5 A～5 A／5 A 变比中，除个别变比采用除法自校线路外，传递标准其余变比和工作标准全部变比均采用两台电流比较仪A 和B 为标准，校准双补偿式电流比较仪C 的方式。该方法在传递标准和工作标准的原理和方法完全相同［1-2］，本文以BLT5617 型工作标准为例，对工作标准除法线路进行分析，将（0.10～1.25）A／5 A 小电流变比进行单次测量试验，对1.25 A／5 A 变比从测量重复性、标准器和互感器校验仪3 个分量进行不确定度评定，计算出合成不确定度和扩展不确定度，最后对不确定度进行验证。

1 除法线路分析

BLT5617 型工作标准的除法线路如图1 所示，与乘法线路类似，BLT5617 型电流比较仪C 和电流比较仪A 级联，C 为上级，A 为下级，其变比分别为m／1 和n／1。两者变比的乘积为电流比较仪B 的变比nm／1。与乘法线路不同之处在于除法线路中C 为被检电流比较仪，A 和B 为标准电流比较仪。电流比较仪B 的一次绕组与C 的一次绕组串联，C 的二次绕组与A 的一次绕组级联，B 的二次绕组与A 的二次绕组为互感器校验仪HEG1 供电，同时完成互感器校验仪D、K 端子的测差［3］。若A 的误差为εA，B 的误差为εB，除法线路的误差为εb，则C 的误差为

式（1）中，由于A 的准确度等级为0.000 02 级，B 的准确度等级为0.000 1 级，故可将A 的误差省略，则误差εC的计算简化为

图1 BLT5617 型工作标准的除法线路

2 单次测量试验

由于传递标准小电流变比的测量中含有除法自校线路较为复杂，为方便介绍除法线路，仅以工作标准为例，对其0.10 A／5 A～1.25 A／5 A 的变比采用式（2）的方法进行单次测量试验，得到工作标准（0.10～1.25）A／5 A 数据，其中，比值误差用f 表示，相位误差δ 用表示。如表1 所示。依据JJG 313—2010《测量用电流互感器》要求，0.000 5 级电流比较仪比值误差应小于50×10-7，相位误差应小于50×10-7rad，由表1 可知，工作标准各变比误差均满足0.000 5 级要求，除法线路单次测量试验满足预期要求。

表1 工作标准（0.10～1.25 A）／5 A 电流比的单次测量结果

3 不确定度的分析与评定

依据JJF 1068—2000《工频电流比例标准装置》校准规范，除法线路的不确定度来源主要分为A 类不确定度和B 类不确定度，其中A 类不确定度主要分为两部分［4］：一部分为测量结果的标准差s1；另一部分为不同线路（除法线路和比较线路）所得的误差值的偏差s2。对于工作标准而言，无法找到相同变比的标准器构成比较线路，只能采取除法线路，故A 类不确定度仅能得到s1。B 类不确定度主要为标准器引入的不确定度分量和互感器校验仪引入的分量［5］。综上，工作标准小电流变比的不确定度来源主要考虑3 个方面：测量重复性引入的不确定度分量u1、标准器引入的不确定度分量u2、互感器校验仪引入的不确定度分量u3。

3.1 测量重复性引入的不确定度分量

测量重复性是指在相同测量方法、相同观测者、相同测量仪器、相同场所、相同工作条件和短时期内，对同一被测量连续测量所得结果之间的一致程度。测量重复性引入的不确定度分量通常采用贝塞尔公式计算：

式中：s 为试验标准偏差；n 为测量总次数，对于工作标准而言，需要对每个变比进行不少于6 次的独立测量；xi为第i 次测量误差值；x 为n 次测量误差平均值。因篇幅所限，仅给出常用变比1.25 A／5 A 的重复性测量结果，如表2 所示。

由表2 得，比值误差平均值为-2.2×10-7，相位误差平均值为3.6×10-7rad。由式（3）得到比值误差试验标准偏差为2.74×10-8，相位误差实验标准偏差为4.18×10-8rad。

表2 工作标准测量重复性试验测量结果

由于每个变比均需进行正向和反向两次测量，故测量重复性引入的不确定度需将实验标准偏差除以，即比值误差u1比=1.94×10-8，相位误差u1相=2.96×10-8rad。

3.2 标准器引入的不确定度分量

工作标准的除法线路的标准器由作为“被除数”的A 和作为“除数”的B 组成，其中标准器A 本身为最高标准，其准确度等级为0.000 02 级，远大于工作标准准确度等级，当标准器B 存在时可忽略标准器A的不确定度影响分量。标准器B 为传递标准，其合成标准不确定度参见文献［2］，比值误差u2比=9.3×10-8，相位误差u2相=1.07×10-7rad。

3.3 互感器校验仪引入的不确定度分量

互感器校验仪作为连接标准电流比较仪和被检电流比较仪的误差测量装置，其引入的不确定度亦不能忽略。依据JJF 1068—2000《工频电流比例标准装置》校准规范并结合电流比较仪评定要求，互感器校验仪引入的不确定度分量为

式中：εmax为电流比较仪的C 的最大允许误差。将C的最大允许误差0.000 5%带入式（4），得到校验仪引入的不确定度分量比值误差为3.0×10-7，相位误差为3.0×10-7rad。

4 合成标准不确定度和扩展不确定度的计算

依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》校准规范，电流比较仪C 的合成标准不确定度由测量重复性引入的u1、标准器引入的u2和互感器校验仪引入的u3合成得到［6］，合成标准不确定度uc计算公式为

扩展不确定度U 按照计算公式为

式中：k 为包含因子，在包含概率p=95%的条件下，k 取2。

由式（4）与式（5）得到工作标准除法线路合成标准不确定度和扩展不确定度的统计表，如表3 所示。

表3 合成标准不确定度和扩展不确定度统计表

5 不确定度的验证

对小电流变比工作标准除法线路不确定度进行验证，由于首次校准时已采用比较法向上级单位进行溯源，故可采用传递比较法将本单位除法线路校准方式和上级单位比较法方式进行比对［7］。选取1.25 A／5 A 变比在20%额定电流下比对结果如表4 所示。

表4 1.25 A／5 A 变比在20%额定电流下校准误差比对结果

查询得到上级单位1.25 A／5 A 比值误差和相位误差数值U0（k=2），结合本文计算得到的除法线路扩展不确定度U（k=2），得到除法线路和上级单位的扩展不确定度统计表，如表5 所示。

表5 1.25A／5A 变比在20%额定电流下扩展不确定度统计

6 结语

本文对BLT5617 型工作标准小电流变比时采用的除法线路进行了分析和试验，并对校准结果不确定度从测量重复性、标准器和互感器校验仪3 个来源进行了分析，计算得到了合成标准不确定度和扩展不确定度，采用传递比较法对校准的数据进行了验证。因篇幅所限，本文所分析的不确定度仅为1.25 A／5 A 一个变比的校准结果不确定度，故校准结果有所偏小。实际评定时，需要将0.1 A／5 A～1.25 A／5 A 每个变比的校准结果不确定度按照文中方法进行评定，将所有结果的最大值作为工作标准除法线路的不确定度。

经过本论文和前期几篇论文［1-2，5，7］的研究，已对工频电流比例标准的最高标准、传递标准和工作标准的自校线路、比较线路、加法和测β 线路、乘法线路、除法线路分析完成。通过多台电流比较仪、多种校准线路完成了电流比较仪（0.1～10 000）A／5 A 的量值复现，采用量值复现代替传统的长距离量值溯源，避免了向上级单位送检对标准设备产生的影响，但同时也需要花费大量的人力、物力、时间完成对各类数据的计算统计工作。故传统的溯源方式和量值复现方式各有利弊，具体的选择需要根据本单位的实际情况，因地制宜地采取合理的方式。