电流比较仪空载转分离线路分析及不确定度评定

刘 罡，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，其校准水平对区域电力生产、电能计量、贸易结算及科学研究均有重要影响。目前，工频电流比例标准的主标准器多采用补偿式电流比较仪。补偿式电流比较仪有3 种接线方式： 空载式、分离式和双补偿式。其中，双补偿式电流比较仪只适用于电流比小于5 A／5 A 的条件下，使用场合较少。空载式线路和分离式线路广泛应用于补偿式电流比较仪最高标准和传递标准的自校、比较、加法、测β 以及乘法和除法线路中。在2 台变比为（5～50 A）／5 A 的最高标准电流比较仪校准过程中，为得到更高的准确度等级须采用空载式接线方式［1］。而在乘法或除法线路中，被检电流比较仪的作用由最高标准变为传递标准，由于传递标准器的二次侧必须级联最高标准器的一次侧构成乘法或除法线路完成校准，故此时传递标准器工作在分离式线路下，被检电流比较仪变比为（5～50 A）／5 A的空载误差值已不再适用，须进行空载式线路向分离式线路的变换。

目前，国内专业研究人员为简化试验流程，通常不进行空载线路向分离线路变换，造成后续传递标准和工作标准的乘、除法试验线路误差增大［1］。针对上述问题，对空载式线路、分离式线路和空载转分离线路进行分析，通过试验和计算得到分离状态下被检电流比较仪的最终误差，并对校准结果不确定度进行评定，计算合成标准不确定度和扩展不确定度，有效控制后续乘除法线路的试验误差。

1 空载式自校线路

空载式线路和分离式线路均采用补偿式电流比较仪标准。电流比较仪空载式自校线路如图1 所示。图1 中Tx为补偿式电流比较仪，Txa为Tx的外附辅助电流互感器，二者串联。N1为电流比较仪的一次绕组，Nd为调零绕组。电流比较仪的二次绕组N2和补偿绕组NB并联并通过调零箱Zj与D 连接即接地，调零箱调节等值阻抗ZBb平衡，使ZBb由内附辅助互感器承担改为由外附辅助互感器承担，比较仪的误差略有变化。调零箱及其连接导线将电流比较仪和外附辅助电流互感器分开，各自形成二次闭合回路，导线和调零箱通过二者的误差电流，其压降微小，可认为电流比较仪为空载。而所有二次负荷（包括连接导线）均由外附辅助电流互感器承担，与电流比较仪无关。电流比较仪空载式自校误差εk等于校验仪的读数ε，即εk=ε，该误差可作为标准电流比较仪和被检电流比较仪在5 A／5 A 变比的最终误差值。

图1 电流比较仪空载式自校线路

2 分离式自校线路

电流比较仪分离式自校线路如图2 所示。与图1 相比，图2 主要区别为电流比较仪二次绕组N2与二次补偿绕组NB的非极性端连接点断开，使电流比较仪Tx和外附辅助电流互感器Txa的二次侧合成一个回路。若电流比较仪无屏蔽铁芯，其主铁芯磁通为零，则所有的二次负荷与电流比较仪的二次绕组电阻全部由外附辅助电流互感器二次承担，电流比较仪空载。电流比较仪分离式自校误差εf为被检电流比较仪在分离线路下5 A／5 A 变比的起始值，该起始值为分离线路下（5～50 A）／5 A 变比的基础，而分离线路下（5～50 A）／5 A 各变比的误差值又是（60～500 A）／5 A 各变比的基础，故被检电流比较仪在分离线路下5 A／5 A 变比的起始值尤为重要，至少须测量6 次［2］。

图2 电流比较仪分离式自校线路

3 空载转分离线路

空载转分离线路即空载式标准电流比较仪与分离式被检电流比较仪的互校线路，其校准线路如图3 所示。To为标准电流比较仪，Tx为被检电流比较仪，Toa和Txa分别为To和Tx的外附辅助电流互感器。To运行在空载状态下，其二次绕组N2的非极性端和二次补偿绕组NB的非极性端相连。Tx运行在分离状态下，其二次绕组的非极性端和二次补偿绕组的非极性端断开。分别用电流源仿真负荷调零箱调零［3］，调节两电流比较仪达到零磁通，采用两电流比较仪双调零线路。测得Tx相对于To的互校误差为εhf，若空载状态下To的误差为εAk，则空载转分离线路Tx的误差εBf为

图3 空载转分离线路

4 测量试验

采用图3 线路，以空载式电流比较仪To为标准电流比较仪，分离式电流比较仪Tx为被检电流比较仪，测得（10～50 A）／ A 变比下Tx相对于To的互校误差εhf如表1 所示。

表1 空载转分离线路互校误差

计算被检电流比较仪Tx最终误差εBf，须先得到标准电流比较仪To各变比下的误差εAk。采用图1 空载自校线路得到5 A／5 A 变比下εAk值；采用加法线路、测β 线路和比较线路得到（10～50 A）／5 A 变比下εAk值，相关试验方法可参见文献［4］，本文直接给出各变比的误差值如表2 所示。（10～50 A）／5 A 变比下εBf由式（1）计算得到，5 A／5 A 变比下εBf采用图2 分离自校线路测得，汇总两部分得到最终（5～50 A）／5 A 各变比下被检电流比较仪Tx误差值如表3 所示。

表2 （10～50 A）／5 A 变比下标准电流比较仪误差值

表3 被检电流比较仪误差值

为进行不确定度评定还须测量空载线路即标准电流比较仪和被检电流比较仪均运行在空载状态时，被检电流比较仪在互校线路中各变比最终误差值，详细方法在文献［5］中已有论述，本文不再赘述。空载线路中被检电流比较仪误差值如表4 所示。

上述标准电流比较仪和被检电流比较仪在一次电流50 A 以下时准确度等级为0.000 02 级，根据JJF 1068—2000 《工频电流比例标准装置校准规范》规定，0.000 02 级电流比较仪比值误差不超过2×10-7，相位误差不超过2×10-7rad。表1 中最大比值误差为3×10-8，最大相位误差为1.1×10-7rad；表2 中最大比值误差为-8×10-8，最大相位误差为-8×10-8rad；表3 中最大比值误差为-8×10-8，最大相位误差为9×10-8rad；表4 中最大比值误差为-6×10-8，最大相位误差为-1.7×10-7rad，故表1—表4 中线路试验结果均满足JJF 1068—2000《工频电流比例标准装置校准规范》要求。

表4 空载线路中被检电流比较仪误差值

5 不确定度评定

5.1 不确定度分析

测量不确定度主要分为A 类不确定度分量与B类不确定度分量。其中A 类不确定度分量主要由多次测量重复性引入，B 类不确定度分量主要由标准器与被检设备数据化整等方面引入。对工频电流比例标准而言，由于标准器和被检设备的准确度等级可达0.000 02～0.000 5 级，由标准器和被检设备数据化整引入的B 类不确定度很小［6］，因此，空载式线路转分离式线路引入的不确定度只考虑A 类不确定度分量，不确定度主要从以下2 方面考虑：6 次测量分离状态下被检电流比较仪各变比比值误差εBf比、相位误差εBf相平均值的标准差s11和s12；6 次测量分离状态和空载状态的比值误差偏差为εBk比，其相位误差偏差为εBf相-εBk相，比值误差偏差与相位误差偏差的平均值的标准差分别为s21、s22。经计算得到s11、s12、s21和s22如表5 所示。

5.2 合成标准不确定度

合成标准不确定度uc由各不确定度分量合成得到，依据JJF 1068—2000《工频电流比例标准装置校准规范》，比值误差合成标准不确定度uc比和相位误差合成标准不确定度uc相分别采用式（2）和式（3）计算［7］，式中测量次数n 取6。

表5 两种途经下被检电流比较仪的标准差

计算出每个变比的合成标准不确定度，取最大值作为被检电流比较仪的合成标准不确定度，计算得50 A／5 A 变比同时为比值误差和相位误差最大值［8］，其中，最大比值误差为0.50×10-8，最大相位误差为0.55×10-8rad。

5.3 扩展不确定度

扩展不确定度U 是确定校准结果区间的量，扩展不确定度由相应的合成标准不确定度乘以包含因子计算得到，即U=kuc，其中，包含因子k=2。经计算得到比值误差扩展不确定度为±1.0×10-8，相位误差的不确定度区间为±1.1×10-8rad。

6 结语

通过对工频电流比例标准空载式自校线路、分离式自校线路以及空载式转分离式线路进行分析，得到被检电流比较仪在分离线路下的最终误差值。通过6 次重复性测量，从平均值和偏差值2 个途径进行不确定度评定，并计算了合成标准不确定度和扩展不确定度，为后续传递标准和工作标准的乘除法线路的测量打下了基础。

本文不确定度评定过程仅考虑A 类不确定度评定，适用于准确度等级大于等于0.000 5 级高精度电流比较仪的评定。对于多数低等级电流比较仪或电流互感器而言，在不确定评定过程中须同时考虑A 类和B 类不确定度，且准确度等级越低，B 类所占比重越大，相关研究和评定将在未来的研究工作中给出。