浅析耐电压测试仪校准结果不确定度分析

杨跃武，卜祥强

（洛阳市质量计量检测中心，河南洛阳 471000）

耐电压测试仪是用于检测和测试各种绝缘材料、电气设备和绝缘结构等抗电性能的仪器。耐电压测试仪是一种具有分辨率高、工作距离大、范围广等特性的高精度电压测量仪器[1]。在实际生活中，人们都需要用到耐电压测试仪，很多和电器相关的生产企业都要用到耐电压测试仪进行耐压测试。耐电压测试仪是对这一类仪器总体性的名称。在现实中，耐电压测试仪有很多种类，按其功能耐电压测试仪可以分为各种类型的仪器，例如耐压测试仪、高压测试仪、高压击穿器等，其主要功能是检验和测试各种电器设备的耐电压和各种性能，通过检测为电器设备的正常使用奠定了坚实的基础[2]。在实际的测试过程中，耐电压测试仪主要包括的测试内容有交流耐压、击穿报警预置电流、直流耐压、输出电压的持续时间和泄漏电流等。

耐电压测试仪可以检测绝缘材料在工作中对电压的耐受能力，检验产品的质量问题，从而发现问题，解决产品低概率的损伤问题，提高产品质量。耐电压测试仪的测量结果对电器设备的安全有非常大的影响，在实际测量中经常用测量误差来表示，按照规程规定，一般用相对误差来表示[3]。

对于耐电压测试仪校准结果的不确定度分析，很多对不确定度的来源分析不全面，方法不科学。该文在大量检测实验的基础上，全面分析了耐电压测试仪不确定度的来源，并分别用A 类和B 类不确定度评定了标准不确定度分量，计算了合成标准不确定度和扩展不确定度，计算出耐电压测试仪在交流1 kV 时的扩展不确定度为0.011 kV，并对测量结果进行了分析。

1 测量过程

1.1 测量原理

在进行校准开展前，有必要了解耐电压的测量原理。耐电压测试仪输出的高压通过耐电压测试仪校验仪以后，耐电压测试仪输出的电流通过电阻进行采样，这样就转变为容易测量的电压信号，对电压信号进行信号处理和采样，然后对处理过的信号进行信号保持，并送到A/D 进行模数转换。耐电压测试仪校验仪内部的数字信号处理器对读取的数字进行计算和处理[4]。然后通过耐电压测试仪校验仪面板显示数据，获得测量结果[5]。测量原理如图1 所示。

图1 原理框图

1.2 测量标准

耐电压测试仪校验仪精度为0.5%级，可对耐压测试仪校准装置进行最高精度等级为2 级的校验。耐电压测试仪校验仪的交直流电压准确度为±（示值的0.5%+2 个字）。适用于最高输出为15 kV 的耐电压测试仪,该耐电压测试仪校验仪可以对耐压测试仪进行首次检定、后续检定和使用中检定。而且，它还可以当作标准高压表来使用，进行高压测量。同时，也可以当作精密测量范围为0.5～15 kV 交直流电压的标准高压表或电流表来使用。除了测量电压和电流外，耐电压测试仪校验仪可以自动测量耐电压测试仪的交直流输出电压有效值。在实际使用中，选择合理的电阻箱，可以用来测量直流击穿报警电流有效值，值得注意的是，在选择电阻大小时，要留意电流的大小，电流不能超过电阻所允许的最大电流，测量不同的电流时要选择相应的电阻，以免损坏电阻，导致测量失败。

1.3 被校耐电压测试仪

被校耐电压测试仪准确度等级为3 级，测试电压范围为0.200～5.000 kV，步幅为10 V，分辨力为10 V，输出精度为±（3%的设定值+10 V）。

1.4 测量方法

在测量前，要保证可靠接地，将耐电压测试仪校验仪接通电源（220 V）。按下耐电压测试仪校验仪的电源开关，耐电压测试仪校验仪开机以后自动进入自检状态，如果自检成功后显示成功状态，即可进行校准。为了保证测量的稳定性和精度，让耐电压测试仪校验仪内各单元工作在最佳稳定状态，耐电压测试仪校验仪在开机后运行10 min 左右再进行校准测量。为了保证自检的准确性，在测量没有开始之前，耐电压测试仪校验仪进行自检以前应该断开其连接线，一般是有三个连接线，分别是高压输入端、电流、回路测量，待自检成功后，在接入这三个连接线[6]。自检结束后，根据自检结果进行后续操作，如果自检成功将自动进入检测界面，如果自检不成功，会出现提示自检失败，将故障排除后，重新进行开机自检进入检测模式[7]。

2 测量模型

耐电压测试仪输出电压的测量模型用式（1）表示：

式中，Δ 表示被校耐电压测试仪输出电压示值误差，单位为V；a1表示被校耐电压测试仪输出电压示值，单位为V；a2表示耐电压测试仪校准装置测量电压值，单位为V；由于输入量a1、a2独立[8]，则有：

3 标准不确定度评定

3.1 由耐电压测试仪重复性引入的测量不确定度u1

耐电压测试仪校准装置输出交流电压1 kV，用耐电压测试仪校准装置按图2 的连接方法进行测量。按照1.4 节的测量方法耐电压测试仪校准装置启动后进入测量页面，等待测量[9]。耐电压测试仪的高压端子同耐电压测试仪校准装置的高压输入端相连，耐电压测试仪的低端与耐电压测试仪校准装置的公共回路端相连[10]。根据耐电压测试仪类型，耐电压测试仪校准装置选择交流或者直流测量。因为耐电压测试仪输出的是高压，在测试过程中，严禁触碰高压端子，以免产生危险，若测量过程有意外情况，应第一时间切断电源[11]。所有线连接好以后，按下耐电压测试仪的启动按钮，慢慢扭动耐电压测试仪的电压调节器，缓慢升压至1 kV，此时记录耐电压测试仪校准装置显示的电压值[12]。

图2 耐电压测试仪测量连接方法

耐电压测试仪通过测量的重复性进行标准不确定度的评定，按照A 类方法进行评定[13]。

按照以上方法，对耐电压测试仪交流电压1 kV点在相同条件下重复测量10 次，测量结果如表1 所示[14]。重复性测量只有在相同的条件下，才能更好地确定示值的误差[15]。

表1 耐电压测试仪重复性测量数据

3.2 由耐电压测试仪校准装置的最大允许误差引入的不确定度u2

通过查阅耐电压测试仪校准装置说明书可知耐电压测试仪校准装置在1 kV 时的最大允许误差为示值的±0.5%+2 个字，所以可以算出在1 kV 时的最大允许误差为×0.5%+0.001 kV×2 ≈0.007 kV，按均匀分布考虑，故由耐电压测试仪校准装置的最大允许误差引入的不确定度分量为：

3.3 由被校耐电压测试仪的分辨力引入的测量不确定度u3

通过查阅被校耐电压测试仪说明书可知，被校耐电压测试仪电压输出分辨力为0.01 kV，按均匀分布考虑，包含因子。若数字显示器的分辨力为λ，由分辨力导致的标准不确定度分量采用B 类评定，则区间半宽度，因此有:

3.4 上级法定计量检定机构校准引入的测量不确定度u4

通过查看上级法定计量检定机构出具的校准证书可知，在1 kV 时给出的不确定度为urel=5×10-3，k=2，因此：

4 合成标准不确定度与扩展不确定度

4.1 合成标准不确定度计算

合成标准不确定度即合成标准测量不确定度,是指由在一个测量模型中各输入量的标准测量不确定度获得的输出量的标准测量不确定度。

合成标准不确定度指当测量结果是由若干其他量的值求得时，按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度[16]。

通过以上计算，对耐电压测试仪的不确定度来源进行了全面分析，如表2 所示。

表2 测量不确定来源

在测量不确定度评定时，如果计算结果显示重复性引入的不确定度分量小于被耐电压测试仪的分辨力所引入的不确定度分量，应当用分辨力引入的不确定度分量代替重复性所引入的不确定度分量，也就是说应当舍弃重复性引入的不确定分量，只保留由分辨力引入的不确定度分量。根据上文的计算显示，舍去重复性引入的不确定分量。

由于以上各项标准不确定度分量是互不相关的，所以输出电压的合成标准不确定度为：

4.2 扩展不确定度计算

通常取置信概率[17]p=95%，k=2，因此有：

4.3 校准和测试能力分析

通过以上分析计算可知，耐电压测试仪输出交流电压在1 kV时的示值误差校准结果为：U=0.01 kV，k=2。

5 结束语

该文通过对耐电压测试仪的介绍，结合大量的测量工作，将在实际工作中遇到的问题进行总结分析，详细叙述了耐电压测试仪校准过程，全面分析了耐电压测试仪不确定度的来源，评定了标准不确定度分量，计算了合成标准不确定度，最后计算了扩展不确定度，计算出了耐电压测试仪在交流1 kV 时的扩展不确定度为0.011 kV，并对测量结果进行了分析。通过分析耐电压测试仪的不确定度，便于使用它的人评定其可靠性，另一方面也增强了测量结果之间的可比性，在以后的校准过程中对测量结果有指导意义。