一种新型特高压耐压机校准装置

张守亮，胡元元，姜永元，刘春艳，王涵予

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266000）

1 现状分析

交流耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度最直接的方法，特高压耐压机主要应用于轨道交通领域电气设备的耐压试验，它是判断电气设备能否投入运行决定性设备，也是保证设备绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要配置，因此其关键参数准确与否，决定着试验的质量，这涉及到特高压耐压机的校准问题.

现阶段，铁路测试系统不同场景下的高电压校准，存在铁路系统现设备校准环境狭窄，电磁干扰环境恶劣，尤其是对高压测量装置的高精度校准测量存在着很多不安全、不准确、不可靠等因素的影响，由此需要在新的测试系统中首先解决抗强磁干扰的问题，其次需要解决有限的环境下如何能快速准确的对被测产品进行一次性快速校准的问题.

图1 测量原理图Fig.1 Measurement schematic diagram

2 装置工作原理与特点

系统采用机箱式结构，一套三件.系统设置分三部分组成，一部分为高精度测量装置，高压测量装置部分隔离电压达到250 kV.以确保设备及人身安全，再一部分为系统处理及显示装置.测量装置是独立一体是不可拆卸的单一结构.控制显示系统采用工业级计算机为主体，配备各类电流，电压采集传感器及数据卡，以达到设备使用精度.第三部分为测量系统托架便于设备现场或野外使用.

该装置基于高压测量传感器原理，采用可靠的屏蔽抗干扰传输系统，结合前置放大滤波器对微小高压信号进行放大滤波处理.通过专用采集卡采集处理后的数据给中央处理单元，用以读取和分析，并以标准证书报告的格式呈现.

为使测试系统对抗强磁干扰，装置设计之初首先就需要解决高压测量装置采集的高电压微小波动对校准系统存在的影响，本装置采用锁相放大技术以保证对电压及电流的测量的准确度.将通过于基于锁相放大器的调制方式进行信号预处理，该装置采用了此项技术使测量精度提升了6%以上[1].

3 装置的原理

该装置是由高精度电压传感器、高精度电流传感器、前置信号放大器、信息采集处理单元以及软件修正及校准单元组成，其中信号采集处理单元经中央处理器，发布指令给显示单元、中央处理器还兼顾存储和处理数据的任务，软件修正及校准单元，将数据补偿修正后送中央处理器进行后续的数据处理.

图2 校准装置原理图Fig.2 Schematic diagram of calibration device

4 校准装置的技术指标

该装置研制需实现的主要技术指标如下：

1）量程：0 ～100 kV

2）精度：AC：0.5% DC：0.5%

3）分压比：1 000 ∶1

4）电气强度：1.2 倍额定电压

5）抗冲击电压：300 kV

5 计算机系统

该装置的计算机系统能够控制高精度电压电流传感器，实现对定点数据的自动采集、存储等，并将数据传回到计算机，生成word 文档，完全消除人为误差.

具有设备查询功能，可根据设备名称、编号、校准日期、检定员等项目进行单项或组合式查询.还具有自动生成与打印功能，能够自动生成校准结果文件，打印校准数据、校准证书、通知书.

该系统软件数据采集界面如下图3 所示.

图3 系统数据采集界面Fig.3 System data acquisition interface

6 校准试验

该装置应用于中车某公司某产线上特高压耐压机的校准，校准试验接线图如图4 所示.

图4 校准试验接线图Fig.4 Wiring diagram of calibration test

校准试验按图4 搭建线路后，用电源给被校准特高压耐压机供电，高压输出至特高压机校准装置，测量电压值，校准数据详见表1、表2.

根据校准数据及误差结果可得出本文设计的特高压机校准装置符合校准要求[2].

表1 直流电压（DCV）校准数据Tab.1 DC voltage（DCV）calibration data

表2 交流电压（ACV）校准数据Tab.2 AC voltage（ACV）calibration data

7 不确定度评定

特高压耐压机校准装置与待校特高压耐压机对接，设定待校的特高压耐压机的交、直流高压值，在特高压耐压机校准装置上读得相应的读数.本文以直流电压10 kV 点为例评定不确定度[3].

7.1 测量模型

特高压耐压机的测量模型按公式（1）计算.

式中，Vx为待校的特高压耐压机示值；Vn为特高压耐压机校准装置示值.

7.2 测量不确定度分析

7.2.1 灵敏系数

则灵敏系数ci按公式（3）计算.

则待校特高压耐压机与特高压耐压机校准装置的灵敏系数为：

7.2.2 合成标准不确定度

合成标准不确定度uc按公式（4）计算.

7.3 不确定度分量的评定

在实验室环境下，Vx不确定度主要来源于由待校件的重复性和分辨力；Vn的不确定度主要来源于特高压耐压机校准装置的年变化量和分辨力等.

7.3.1 由待校件的重复性引入的标准不确度分量u（Vx1）[A 类不确定度]

将特高压耐压机校准装置置于电压测量状态，设定待校特高压耐压机设定值，并读取特高压耐压机校准装置的示值. 进行10 次等精度测量，特高压耐压机校准装置测得十次实际值如下：

按公式（5）计算.

计算各测量值的重复性引入的标准不确定度u（Vx1）及其自由度v（Vx1）如表3 所示.

表3 各测量值的重复性引入的标准不确定度u（Vx1）及其自由度v（Vx1）Tab.3 the standard uncertainty u（Vx1）and its degree of freedom v（Vx1）introduced by the repeatability of each measurement value

7.3.2 由待校件的分辨力引入的标准不确定度分量u（Vx2）[B 类不确定度]

待校件直流高压分辨力为a，其区间半宽值为：a/2，假设在区间内属均匀分布，取包含因子为：k=，由其引入的标准不确定度按公式（6）计算.

则由待校件的分辨力引入的标准不确定度u（Vx2）及其自由度v（Vx2）评定如表4 所示.

表4 待校件的分辨力引入的标准不确定度u（Vx2）及其自由度v（Vx2）Tab.4 Standard uncertainty u（Vx2）and degree of freedom v（Vx2）introduced by resolution of parts to be calibrated

7.3.3 由特高压耐压机校准装置年变化引入的不确定度分量u（Vn1）[B 类不确定度]

设特高压耐压机校准装置测量直流高压年变化量为a，其变化区间的半宽度值为：a，假设在此区间内属均匀分布，取包含因子为，由其引入的标准不确定度u（Vn1）按公式（7）计算.

则特高压耐压机校准装置在测量电压（DC：10 kV）时，由其年变化引入的标准不确定度u（Vn1）及其自由度v（Vn1）评定如表5 所示.

7.3.4 由特高压耐压机校准装置的分辨力引入的不确定度分量u（Vn2）[B 类不确定度]

特高压耐压机校准装置测量直流电压时分辨力均为0.01 kV，其区间半宽值为：0.005 kV，假设在区间内属均匀分布，取包含因子为则分辨力引入标准不确定度u（Vn2）按公式（8）计算.

表5 年变化引入的标准不确定度u（Vn1）及其自由度v（Vn1）Tab.5 Standard uncertainty u（Vn1）and its degree of freedom v（Vn1）introduced by annual change

其自由度为∞.

7.4 计算合成标准不确定度

7.4.1 计算合成标准不确定度

合成标准不确定度uc按公式（9）计算.

各评定点的合成标准不确定度uc如表6 所示.

表6 合成标准不确定度ucTab.6 Uncertainty of composite standard uc

7.4.2 确定扩展不确定度

式中：k为包含因子.

7.5 测量不确定度分量汇总表

测量不确定度分量汇总见表7.

表7 DC 10 kV 标准不确定度汇总表Tab.7 Summary of uncertainty of DC 10 kV standard

8 结 论

本文介绍了一种新型特高压耐压机校准装置，提出了一种特高压耐压机的校准方法，得出试验校准数据及误差结果符合特高压耐压机校准需求.通过应用于校准中车某公司特高压耐压机，校准结果表明该装置设计合理，解决了铁路系统现设备校准环境狭窄，电磁干扰环境恶劣，尤其是对高压测量装置的高精度校准测量存在着很多不安全、不准确、不可靠等因素技术问题[4]，能够满足轨道交通行业对特高压耐压机的校准需求.