高压开关特性测试仪测量结果的不确定度分析

  高压断路器或称高压开关，是电力系统中十分重要的控制和保护设备，它不仅可以切断或者闭合高压电路中的空载或负载电流，而且在电力系统发生故障时可以通过继电器的配合切断过负荷电流或者短路电流，保证电网无故障部分的正常运行。为了满足高压开关的试验要求，近年来市场上出现多种高压开关特性测试仪，JJG 1120—2015 《高压开关动作特性测试仪检定规程》 也正式发布，其中对各项参数的检定都做了相应的规 定。为满足该类设备的量值溯源的要求，采用高压开关特性测试仪校验装置作为标准器，对各参数示值误差的测量结果进行不确定度分析。

1 高压开关特性测试仪校验装置的原理及

技术参数

1. 1 工作原理

本文采用的校准装置为 KG-11 高压开关特性测试仪校验装置，模拟被测高压开关触头产生预定的动作，时间发生器产生相应的动作时间，同时反馈出电压信号，供被测高压开关特性测试仪进行计时，比较二者测得时间的差异。系统原理图如图 1 所示。

1. 2 时间校验范围

三路合闸时间: 1 ～ 20 000 ms; 三路分闸时间: 1 ～ 20 000 ms; 三路弹跳时间: 1 ～ 20 000 ms;时间均可任意设置。

1. 3 允许误差

参数: 1 ～ 1 000 ms 小于 5 μs，1 000 ～ 20 000 ms

2 高压开关特性测试仪测量结果的不确定评定

根据 KG-11 高压开关机械特性测试仪校验装置的技术说明书所示，合闸时间、分闸时间、弹跳时间的技术指标均相同，故仅对合闸时间进行评定。同时合闸时间参数在 1 000 ms 以下和以上的允许误差并不相同，所以需要分开进行评定。

2. 1 合闸时间的不确定评定 ( 1 ～ 1 000 ms)

2. 1. 1 数学模型δ = Ti － T0

式中: δ 为合闸时间的示值误差; Ti 为被检高压开关特性测试仪的示值; T0 为高压开关特性测试仪

校验装置的示值。

2. 1. 2 灵敏系数

c1 = δTi= 1 c2 = δT0= － 1

2. 1. 3 测量不确定度的来源

( 1) 测量重复性引入的标准不确定度分量 uA。

( 2) 高压开关特性测试仪校验装置的测量误小于设定值的 5 × 10 － 6。差引入的标准不确定度分量 uB1。

( 3) 高压开关特性测试仪校验装置的分辨力引入的标准不确定度分量 uB2。

2. 1. 4 测量重复性引入的标准不确定度评定选取 GKC-F 型高压开关特性测试仪为被测对象，选择内触发测试模式，进行连续 10 次 100 ms的合闸时间测试，所得数据如表 1 所示。

通过贝塞尔公式将 10 组数据代入，计算可得:

s =∑ni = 1( Ti － T0 ) 2槡 n － 1 = 0. 053( ms)uA = s = 0. 053( ms)

2. 1. 5 高压开关特性测试仪校验装置的测量误差引入的标准不确定度评定根据 KG-11 高压开关机械特性测试仪的技术说明书所示，合闸时间在 1 ～ 1 000 ms 小于5 μs，在此区间服从均匀分布，包含因子 k = 槡3，区间半宽a = 5 μs，则标准不确定度 uB1为:

uB1 = ak = 0. 005槡3 = 0. 002 9( ms)

2. 1. 6 高压开关特性测试仪校验装置的分辨力引入的标准不确定度评定KG-11 高压开关机械特性测试仪校验装置在100 ms 测试点时的分辨力为 0. 01 ms，服从均匀分布，包含因子 k = 槡3，区间半宽 a = 0. 005 ms，则标准不确定度 uB2为:

uB2 = ak = 0. 005槡3 = 0. 002 9( ms)

2. 1. 7 高压开关特性测试仪校验装置引入的标准不确定度合成uB = u2B1 + u2槡 B2 = 0. 042( ms)

2. 1. 8 高压开关特性测试仪合闸时间测量误差的合成标准不确定度评定输入量彼此并不相关，所以合成不确定度按下式计算:

uC = c21 u2A + c21 u2槡 B2 = 0. 068( ms)

扩展不确定度计算，取包含因子 k = 2，则:

U = kuC = 0. 14( ms)

相对扩展不确定度:

Urel = U100 × 100% = 0. 14100 × 100% = 0. 14%

2. 2 合闸时间的不确定评定 ( 1 000 ～ 20 000 ms)

2. 2. 1 数学模型

δ = Ti － T0

式中: δ 为合闸时间的示值误差; Ti 为被检高压开关特性测试仪的示值; T0 为高压开关特性测试仪校验装置的示值。

2. 2. 2 灵敏系数c1 = δTi= 1 c2 = δT0= － 1

2. 2. 3 测量不确定度的来源

( 1) 测量重复性引入的标准不确定度分量 uA。

( 2) 高压开关特性测试仪校验装置的测量误差引入的标准不确定度分量 uB1。

( 3) 高压开关特性测试仪校验装置的分辨力引入的标准不确定度分量 uB2。

2. 2. 4 测量重复性引入的标准不确定度评定选取 GKC-F 型高压开关特性测试仪为被测对

所以合成标准不确定度为:

uc = u211 ( I) + c22 u22 ( I0 ) + c23 u23 槡 ( Ki ) = 0. 59( A)取 k = 2，则扩展不确定度为:U = kuc = 1. 2 ( A)

3. 3 测量结果的表述

在本例中，钳形电流表交流 50 Hz 时 100 A 示值的校准结果为: 示值误差为 0. 4 A，其扩展不确定度为 1. 2 A ( k = 2) ，如表 5 所示。

4 结束语

本文仅以钳形电流表在 50 Hz、100 A 测量点为例，对 2 种不同校准方法的测量不确定度进行了讨论，相应的其他测量点可通过相似的算法进行评定，在此不再赘述。可以看出，采用不同的校准方法和不同的标准器，对*终的测量不确定度有很大的影响，以此文为校准方法选择及标准器选择提供参考。