新型变压比电桥检定仪校准方法研究及不确定度评定

王永兴，刘 罡，姜春阳

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

变压比电桥为测量电力变压器变比误差的关键设备之一，其误差准确与否对区域内电力生产、电能计量、贸易结算及科学研究均有着重要影响。长期以来，其溯源方式为送检至各省级计量院或中国计量科学研究院，该方式不仅需要花费大量溯源费用，更存在因长途运输带来的设备失准、损坏等隐患。近年来，随着工频电压比例标准及多盘感应分压器应用技术成熟，研制一套以感应分压器原理为基础的新型TR-I 型变压比电桥检定仪，可实现在实验室内部对各类型变压比电桥进行校准。

1 TR-I 型变压比电桥检定仪结构与原理

TR-I 型变压比电桥检定仪结构如图1 所示，主要由分接盘、分压盘和接线端子组成。分接盘位于TR-I 型变压比电桥检定仪（以下简称检定仪）左上侧，主要用于测量具有分接头测量功能的变压比电桥。分压盘位于检定仪中部，依据八盘感应分压器原理设计而成，用于测量变压比电桥的变比K。接线端子分为高压侧和低压侧两部分，分别接变压比电桥的高压侧和低压侧［1-2］。

图1 TR-I 型变压比电桥检定仪结构

2 变比示值校准

变比示值校准采用单相（AB 相）校准方法，校准线路如图2 所示。检定仪高压侧A-X 与变压比电桥高压侧AO-B 相连，检定仪低压侧ao-x 与变压比电桥低压侧ao-b 相连。将变压比电桥连接组开关置于“0”或“12”，误差盘置于“0”，指零仪灵敏度调节旋钮调至最小。接通电源预热10 min 以上［3］，然后将指零仪灵敏度调节旋钮调至最大，同时调节指零仪零位调节旋钮，进行零位平衡。平稳地升起电压至规定值，对于每个被检定点，调节变比标准器示值，使指零仪重新指零，该点的示值相对误差为

式中：δx为变压比电桥被检定点的相对误差；Kn为检定仪变比示值 （标准变比值）；Kx为变压比电桥变比测量盘的指示值。

图2 变压比电桥校准线路

变压比电桥常用变比范围为1～100，故检定仪设定的值范围为1～100。采用N9 选点法［1］，以检定仪为主标准器，变压比电桥为被检设备，得到被检电压比电桥的变比示值误差如表1 所示。由表1可到，最大变比误差为-0.06%。被检变压比电桥准确度等级为0.2 级，依据JJG 970—2002《变压比电桥检定规程》规定［3］，0.2 级变压比电桥最大允许误差为±0.2%，故该变压比电桥变比示值误差合格。

3 标准偏差校准

选出被检电桥变比示值误差最大点作为被检定点，在其他条件都不变的情况下，反复转动被检电桥变比测量盘，重复测量5 次以上［4］，计算被检电桥的标准偏差为

式中：S 为被检电桥的标准偏差；n 为测量次数；xi为第i 次检定实际值；x 为n 次检定实际值的平均值。

表1 变比示值误差

由表1 可知，在变比标准值为1 时变比示值误差最大，故对该变比值进行重复性测量5 次，得到标准偏差如表2 所示。Ui为5 次检定中每次测量值与平均值的差值的平方。由于该值为最大变比误差值时的标准偏差，故可认为是变压比电桥的最大标准偏差。依据JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》规定，最大标准偏差应小于最大允许误差。将表2 数据代入式（2）计算可得标准偏差S 为0.011%，0.2 级变压比电桥最大允许误差为±0.2%，故该变压比电桥标准偏差值合格。标准偏差S 可用于不确定评定过程中测量重复性引入的分量。

表2 标准偏差校准试验数据

4 不确定度评定

依据JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示校准规范》和JJJG 970—2002 《变压比电桥检定规程》要求，结合多盘感应分压器不确定度评定方法，变压比电桥不确定度评定可从测量重复性、上级标准器、被检电桥误差修约化整3 方面分析［5］。

4.1 测量重复性

测量重复性引入的不确定主要由环境电磁场变化、变压比电桥接触电阻变化等引起，因此需要进行不少于5 次的独立测量［6］。对该0.2 级变压比电桥在变比为1，Yd11 接线下进行5 次独立测量，其标准偏差为S，由上文得到测量重复性引入的不确定度u1=S=1.1×10-4。

4.2 上级标准器

上级标准器为TR-I 型变压比电桥检定仪，其准确度等级为0.01 级，根据JJG 970—2002 《变压比电桥检定规程》要求，上级标准器引入的不确定度应不大于其最大允许误差。0.01 级变压比电桥检定仪最大允许比值误差为1×10-4，故上级标准器引入的不确定度u2=1×10-4。

4.3 被检电桥误差修约化整

被检电桥准确度等级为0.2 级，其最大允许误差为±0.2%，根据JJG 970—2002 《变压比电桥检定规程》要求，误差修约化整ε 通常按照其最大允许误差的1/10 计算，即ε=0.2%×1／10=0.02%。由修约化整引入的不确定分量可视为均匀分布，故其引入的不确定度，经计算修约化整引入的不确定度。

4.4 合成标准不确定度及扩展不确定度

合成标准不确定度由上述3 个不确定度分量合成得到，由于各不确定度分量互不相关，故合成标准不确定度uc为

经计算uc=1.91×10-4。

扩展不确定度U 采用进一制，按照合成标准不确定度乘以包含因子k 计算。通常取k=2，得到扩展不确定度比值误差U=3.9×10-4。

5 不确定度验证

为验证该变压比电桥在实验室校准结果，将其送往最高标准检定机构进行验证。对变比为10，Yd11 接线下进行校准，并与本实验室校准结果进行比较。本实验室校准结果y 为2×10-4，上级标准校准结果y0为1×10-4，两者的差值为1×10-4。

6 结语

依据多盘感应分压器测量原理研制一套变压比电桥检定仪，在实验室内部完成对变压比电桥校准。从变比示值和标准偏差2 个方面给出了变压比电桥的误差结果。从测量重复性、上级标准器和被检电桥3 个方面对变压器电桥进行了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。最后给出不确定度验证，证明校准结果符合要求。

因篇幅所限，不确定度评定仅给出变比值为10，Yd11 接线下不确定度评定结果。实际校准时须给出所有常用变比和全部接线方式下校准结果。实验室内部校准方法与传统溯源至省级计量院或中国计量科学研究院相比存在测量数据较多、计算繁琐等缺点，但可避免标准设备长距离溯源造成设备损坏等隐患。故采用何种溯源方式须由本单位结合实际情况施行。