基于高低温交变试验的电能表误差分析
2021-06-07魏乃镇陈家焱韩圆勋朱浩然王子洋
魏乃镇，陈家焱*，韩圆勋，朱浩然，王子洋，刘 琛
（1.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州310018；2.浙江省计量科学研究院国家电能表中心，浙江 杭州310018）
在高低温交变的条件下，材料的热胀冷缩特性会对电表的正常工作产生影响，使电表或其零部件发生变形影响电表测量可靠性。目前，国内已经广泛开展对电能表可靠性检验试验：在智能电表故障的研究分析[1]中详细说明电能表的常见故障，以及其产生原因和解决方法，其中环境影响因素方面主要来源于温度，温度变化造成电能表时钟等元件不准确从而导致测量产生误差；研究温度对电能表影响的仿真试验[2]中，建立温度影响的电能表模型，通过软件搭建模型进行仿真分析，通过仿真寻找最佳的温度补偿。现有电能表的研究大多介绍温度因素的影响只涉及理论，缺少对温度变化产生的实际影响量的测量和分析，缺乏实践性依据，因此需要进行关于温度影响电能表性能的相关试验。影响环境应力筛选试验[3]中通过分析温度变化影响电能表永久磁铁磁通和磁阻，并进行试验，定量分析并求出温度系数，得出温度变化对电能表检定结果影响很大的结论。试验中只对21℃和23℃进行测量，没有对极端温度进行试验，实际生活中，有很多企业没有做到电能表现场检验[4]，电能表工作环境复杂，温度变化大，因此考虑较大跨度温度区间内电能表的误差变化具有重要意义。
因此，本文对电能表进行高低温实验。通过大范围的温度变化过程中电能表的误差变化，研究温度对电能表产生的不良影响，从而分析电能表的可靠性，根据试验结果给出厂家可读的参考资料。
1 总体思路与方案
本文制定了一套高低温变化情况下的电能表可靠性试验方案，试验依据相关标准指定试验方法，采用一组温度影响系列试验自动检测系统来获取数据，并通过数据分析来研究高低温变化情况下电能表的应力情况（见图1）。
首先，根据JJF1245.1-2010，JJF1245.3-2010，JJF124 5.5-2010，JJF1245.6-2010《安装式电能表型式评价大纲》中规定的试验方法进行研究，确定相对误差、温度系数、误差范围等相关标准，由此确定试验相关原理与方案，选择测试系统，并为数据分析提供指导。其次，采用自动测试系统进行试验，利用该系统实现校验装置和高低温箱的协同控制，达到自动控制温度和自动校验测试的目的，为后续的研究分析提供数据支持。最后，根据测试系统所得结果进行数据处理，分别对不同温度情况下的电能表绝对误差进行分析，判断电能表在不同温度情况下的误差精度，并得到最终结论。
2 依据标准分析
2.1 基本最大允许误差
JJF1245.1-2019标准中涉及到的误差均为相对误差，即示值减去参考量值的差，除以参考量值。如式（1）所示：
仪器应能保证在额定工作条件下其误差不超过相应准确度等级的最大允许误差，因此电流与功率因素的固有误差应该在给出的基本最大误差范围之内。最大基本允许误差为接下来的数据分析提供了允许误差的范围，是判定电能表是否合格的一个重要依据。
对相对误差进行分析时，将相对误差转换为绝对误差进行分析。对10个电能表在5种不同温度下的绝对误差进行分析，得出电能表误差绝对值随温度变化的关系。
2.2 平均温度系数
在参比温度、高额定温度、低额定温度，以及在额定温度范围之间的充分多的温度点进行试验。温度之间的间隔应在15K至23K之间。温度区间必须覆盖整个仪表要求的额定温度范围。建议的试验温度点：-55℃、-40℃、-25℃、-10℃、5℃、23℃、40℃、55℃、70℃。平均温度系数可通过式（2）计算得出：
式中：c为平均温度系数；eu为上限温度的误差%；el为下限温度的误差%；tu为温度间隔的上限温度℃；tl为温度间隔的下限温度℃。对于每一个温度间隔，分别将温度试验箱的温度设置为间隔上限温度为tu和下限温度tl，仪表放置于温度试验箱直至温度稳定（通常在每一温度点保持2h以上），测试仪表误差。
标准中建议测试的测试温度点给本实验温度的选择提供了参考，根据本实验的实际实验条件，本实验选择的试验温度点为：-10℃、5℃、23℃、40℃、55℃。本实验虽然只选择了标准中的一部分试验温度点，但是已经覆盖B级电能表的建议实验温度点，能够得出电能表在高低温交变情况下的规律。
3 基于温度影响系列试验的电能表测试系统应用流程
团队在浙江省计量科学研究院的电能表性能试验室进行实践，并学习了相关试验流程与标准要求。在此基础上，本试验制定了一套高低温变化情况下的电能表可靠性试验方案。试验依据上文的标准分析确定了相关原理与试验方法，采用一组温度影响系列试验自动检测系统来获取数据。由此系统所获得的数据将在第四部分用于研究高低温变化情况下电能表的应力情况并进行总结。
3.1 系统框架
本实验采用了一组温度影响系列试验自动测试系统[5]进行试验。该系统总体框架包括计算机、高低温箱、校验装置（智能电能表测试标准源）三大部分。该系统能够实现校验装置和高低温箱的协同控制，达到自动控制温度和自动校验测试的功能，并确保符合试验方法的要求。测试系统总体框架如图2所示。
图1 高低温变化下电能表的应力分析总体思路图
3.2 系统试验方法
电能表的温度影响系列试验是指通过测量不同环境温度下不同加载点的基本误差和计时误差，以此计算平均温度系数来与JJF1245型式评价大纲[6]相对应的误差限值相比较，确定是否满足大纲要求。
本实验采用JJF1245.1-2010，JJF1245.3-2010，JJF12 45.5-2010，JJF1245.6-2010《安装式电能表型式评价大纲》中规定的试验方法，根据实验室的具体情况以及相关工作安排，将温度具体划分为五个温度测试点：-10℃、5℃、23℃、40℃和55°。在自动设定完成后，每个温度测试点保持恒温状态2h左右整个测试流程图如图3所示。
图2 测试系统总体框架
图3 测试流程
对被检电能表进行误差测试的不同负载测试点如表1所示。
表1 误差测试点
4 试验数据结果分析
试验通过标准分析确定了误差合格范围与判定标准，通过上述自动测量系统获得所需误差数据，在此基础上对所得试验数据进行了分析处理，并进行总结。
4.1 电能表误差绝对值与温度变化的关系
首先通过上述电能表测量系统测量并且得到10个B级电能表的误差数据，将10个电能表分别标记为B1、B2、B3…B10，如表2电能表B1的误差表。然后对10个电能表进行数据分析，以得到电能表误差与温度变化及电流变化之间的关系（见图4）。
以温度为变化量观察误差绝对值的变化，选取10个B级电能表B1，B2，B3…B10在三相四线有功1.0 10%、三相四线有功1.0 100%、三相四线有功1.0 Imax、三相四线有功0.5L 10%、三相四线有功0.5L 100%、三相四线有功0.5L Imax共六种不同条件下研究误差绝对值随着温度的变化而发生怎样的变化。
总体情况下当温度接近室温时，电能表误差较小。随着环境逐渐变得恶劣，如温度上升及温度下降都会使得电能表的误差变大。因为每个测试点的温度间隔是在15K至23K之间，所以可以得到温度上升对电能表准确度影响比温度降低大。
4.2 电能表温度系数与温度的关系
4.2.1 运用数字特征分析
根据温度系数计算公式，我们将温度分为4个区间，如表3所示。
通过对四个不同温度区间内的共240个数据进行分析，第一区间到第四区间的平均值、标准差、极差以及相关系数的数据如表4、图5。通过平均值判断绝对误差的平均水平，通过极差判断绝对误差的离散度，通过标准差判断数据集的离散程度，通过相关系数判断不同温度下的误差相关性。研究在不同区间下温度系数变化。通过平均值可以得知在第一区间以及第三区间时温度系数相对较小。这说明了在此区间内电能表误差变化总体较小。并且极差和标准差都相对较小，这说明在这两个区间内，误差绝对值的离散程度较小，电能表性能比较稳定。从相关系数可从视图中看出不同温度区间内的数据相关性比较大。
从温度系数趋势图（B1电能表），其他B2至B10趋势与B1相似，可以得出两点结论：（1）在温度升高的情况下，会出现先慢后快的情况，当温度从室温开始升高时，电能表精确度变化较小。达到一定温度值时，会使得电能表精确度变化增大。（2）在温度下降的情况下，出现先快后慢的情况，当温度从室温开始下降时，电能表精确度变化较大，而在温度下降到一定值时，电能表精确度变化又变小了。进一步说明了电能表对高低温的敏感度是不一样的。
图4 B1-B10电能表误差绝对值随温度变化图
表2 电能表B1误差表
表3 温度区间表
表4 4个区间数字特征值表
图5 相关系数可视图及温度系数趋势图
表5 单因素方差分析结果表
4.2.2 运用单因素方差分析
因为在4个不同的区间，只有温度是不同的，这说明在试验中只有一个因素改变，则可运用单因素方差分析。通过单因素方差分析我们可以分析出不同温度下区间之间均值是否存在显著性差异，于是将4个区间共240个数据进行单因素方差分析。以区间一和区间二为例给定显著性水平为0.05，见表5。
因为给定显著性水平p为0.05，当P
5 结束语
本文研究分析高低温和电流变化情况下电能表的误差，通过运用计算机自动化控制对电能表校验设备和高低温箱进行协同控制并自动检测误差，提高了试验工作效率和结果的准确性、严谨性。通过分析试验结果，得出结论：电能表对高低温的敏感度不同，当温度从室温开始升高达到一定温度值时，会使得电能表精确度变化增大；当温度从室温开始下降时，电能表精确度变化较大；在温度下降到一定值时，电能表精确度变化变小。
