外施电流法对互感器伏安特性测试仪的校准分析

赵斯衎，林 勇

（福建省计量科学研究院，福建 福州350003）

1 前言

互感器伏安特性测试仪主要由调压系统、变压器、电压和电流测量系统等部分组成，可以对电流互感器或电压互感器进行基本误差、极性判别、变比检查、二次回路负载等参数进行检测，是现场进行互感器交接试验、预防性试验的常规设备，在电力工程领域已得到广泛运用。其厂家不同，名称也不相同，如互感器综合测试仪，互感器伏安特性测试仪，互感器误差特性测试仪等[2]。而测量伏安特性，主要是为了检查互感器的铁心质量，通过鉴别铁心磁化的饱和程度来判断互感器的绕组有无匝间短路等缺陷。作为其主要的基本功能，数据结果的准确与否，直接影响着互感器伏安特性测试仪的优劣程度，也间接决定了互感器交接试验、预防性试验的准确性与可靠性。本文主要以伏安特性电流部分为例，结合电磁计量专业特点，用外施电流法对此类仪器的伏安特性电流部分进行校准分析，从而达到该部分功能的量值溯源目的。

2 互感器伏安特性电流部分的校准

外施电流法[3]适用于不带标准电流源的互感器伏安特性测试仪，如图1所示，当被校测试仪输入的伏安特性交流电流量程在100 A及以下时，采用交流测试系统作为测量标准进行测量，交流测试系统所输入的标准电流值与被校测试仪电流显示值之差即为伏安特性交流电流的示值误差。

当被校测试仪输入的伏安特性交流电流量程在100 A以上时，采用标准电流互感器作测量标准，利用升流器升流，结合数字多用表对电流进行实时监控，进行测量。将测量标准交流电流输出端与被校测试仪的伏安特性交流电流输入端相连接，测量标准输入值在被校测试仪上显示，数字多用表读取数值乘以标准电流互感器相应变比所得值与被校测试仪电流显示值之差即为伏安特性交流电流的示值误差。

图1 电流示值校准接线图（外施电流法）

用标准电流源对内部自带电流表的测试仪，按其说明书所示电流范围进行校准。

电流示值误差按式（1）或式（2）计算：

式中：ΔI—电流示值误差；I—被校测试仪电流值；I0—标准器读数值。

式中：γi—电流示值的相对误差；I—被校测试仪电流值；I0—标准器读数值。

3 校准结果的评定与分析

选用量程：0.01～100 A，0.05级的标准电流源，和量程：100μA～10 A，0.05级的数字多用表，以及量程：5～5 000 A/5 A，0.02级的标准互感器作为标准，测量模型分为两种情况进行评定与分析。

当交流电流量程≤100 A时，

式中：ΔI—交流电流示值误差，A；IX—被测仪器表示值，A；IN—标准器读数值，A。

根据不确定度合成原理，交流电流误差合成标准不确定度计算公式为：

式中：uA（ΔI）—被检仪器误差重复性引入的标准不确定度，A；u（ε）—标准器测量引入的标准不确定度，A；C1、C2为各项灵敏系数。

当交流电流量程＞100 A时

式中：ΔI—伏安特性交流电流示值误差，A；IX—被测仪器显示值，A；IN—标准器读数值，A；k—电流互感器变比，A/A。

根据不确定度合成原理，交流电流误差合成标准不确定度计算公式为：

式中：uA（ΔI）—被检仪器误差重复性引入的标准不确定度，A；u（ε）—标准器测量引入的标准不确定度，A；u（k）—电流互感器引入的标准不确定度；C1、C2为各项灵敏系数。

3.1 标准不确定度的A类评定

对被测仪器的伏安特性交流电流1 A，10 A，100 A，1 000 A，5 000 A分别进行10次连续测量，得到测量结果如表1所示。

表1 交流电流测量结果 单位：A

用贝塞尔公式计算测量结果，可得A类评定的不确定度分量，计算公式为：

式中：uA（ΔI）—被检仪器误差重复性引入的标准不确定度，A；INi—第i次独立测量结果，A；IN—n次独立测量结果平均值，A；n—n=10

计算得到：

3.2 标准不确定度的B类评定

根据交流测试系统的校准证书，其在交流电流下测量最大允许误差为±0.05%，按矩形分布估计。所测得的伏安特性交流电压输出值的平均值分别为1.001 9 A，10.066 A，100.83 A，则测量引入的标准不确 定 度 为：u（ε）=0.000 29 A（1 A），u（ε）=0.002 91 A（10 A），u（ε）=0.029 11 A（100 A）。

根据数字多用表校准证书，其最大允许误差为±0.05%，按矩形分布估计。所测得的伏安特性交流电流输出值的平均值为1 015.0 A，5 075.6 A，数字多用表显示值的平均值为5.075 A，5.075 6 A，则测量引入的标准不确定度为：u（ε）=0.001 47 A（1 000 A），u（ε）=0.001 47 A（5 000 A），

电流互感器变比k引入的标准不确定度分量计算如下。

根据电流互感器检定证书，电流互感器最大允许误差为±0.02%，按照矩形分布估计，电流互感器变比k引入的标准不确定度为：

3.3 灵敏系数

交 流 电 流 量 程≤100 A：C1=∂ΔI/∂ΔIX=1，

交流电流量程＞100 A：（额定变比为1 000 A/5 A）

3.4 合成标准不确定度

当交流电流量程≤100 A时，

被检仪器交流电流误差的合成不确定度为：uc（ΔI）=0.000 92 A（1 A），uc（ΔI）=0.012 09 A（10 A），uc（ΔI）=0.202 38 A（100 A）。

相对合成标准不确定度为：ucrel（ΔI）=0.09%（1 A），ucrel（ΔI）=0.12%（10 A），ucrel（ΔI）=0.20%（100 A）。

当交流电流量程＞100 A时，其不确定结果如表2所示。

表2 交流电流测量结果不确定度

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则伏安特性交流电压输出值的相对扩展不确定度为：

3.6 测量不确定度的报告与表示

取k=2，则伏安特性交流电流各测量范围的相对扩展不确定度为：

4 结束语

不同型号，不同名称的互感器伏安特性测试仪作为继电保护和高压绝缘专业的专门检测仪器，已在电力工程领域得到广泛应用。此类仪器，各个厂家的名称不同、参数不一，但是，测试伏安特性作为其基本功能，是此类仪器的标准配置。为此，本文从电磁计量专业出发，以外施电流法为例，对伏安特性电流部分功能进行校准分析，从而达到量值溯源的目的，为今后该类仪器的更新发展提供了技术依据。