短时过电流试验设备的校准方法研究*

王晨，丁恒春，姜振宇，鲁观娜，巨汉基，李亭

（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院计量中心，北京 102208；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045）

0 引 言

随着科技的快速发展，电气设备的稳定运行越来越重要。对于电气设备耐受瞬间大电流的能力，短时过电流试验是必不可少的检测环节。智能电能表是智能电网的重要组成部分，其安全性能与用户的利益关系密切，因此，短时过电流试验是电能表型式试验必检项目［1-4］。

短时过电流试验是依据GB/T 17215.322-2008《交流电测量设备特殊要求第22部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》，检验电能表耐受瞬变过电流的能力，影响电能表的安全性能［5-6］。短时过电流试验设备是基于GB/T 17215.322-2008设计，属于实验室检测设备。GB/T 27025-2008《检测和校准实验室能力的通用要求》和CNAS-CL01《检测和校准实验室能力认可准则》规定，实验室应配备正确进行检测和校准所要求的检测设备，并符合检测和校准相应的规范要求［7-8］。因此，短时过电流试验设备应满足GB/T 17215.322-2008要求。

校准短时过电流试验设备无可参考的技术标准，监测大电流输出值和持续时间是校准方法的难点。文中通过分析短时过电流试验设备的工作原理，并基于对标准的理解，结合实验室环境、人员等因素，详细地阐述测量不确定度评定方法，再将校准结果与电能表技术标准要求比对，保证短时过电流试验的准确性和试验结论的一致性。

1 短时过电流试验设备的工作原理

短时过电流试验设备接入工作电源后，采用升流器原理，通过调整自耦变压器输出电压以获得试验所需的过电流。试验设备结构图，如图1所示。

图1 短时过电流试验设备结构图Fig.1 Structure diagram of short time over current experiment equipment

2 短时过电流试验设备的校准方法

短时过电流试验设备依据GB/T 17215.322-2008《交流电测量设备特殊要求 第22部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》设计，校准本试验设备采用电流探头将试验设备输出的电流传送至数字示波器，监测试验设备输出的电流和持续时间。因此，短时过电流设备的校准主要由电流探头变比校准和电流幅度参数测量校准以及时间参数测量校准组成。校准原理框图如图2所示。

图2 校准原理框图Fig.2 Calibration principle block diagram

经电流互感器接入式的电能表的电流规格为1.5（6）A、0.3（1.2）A，最大电流分别为 6 A、1.2 A。短时过电流试验规定，仪表应能经受相当于20Imax，允许误差为+0%～-10%的电流，施加时间为0.5 s。综合考虑上述因素，考核短时过电流试验设备输出24 A、120 A电流值和持续时间。

3 测量不确定度评定

校准短时过电流试验设备的数学表达式为：

式中ΔI为短时过电流试验设备输出电流的绝对误差，单位为A；I1为数字示波器测得的电流值，单位为A；KI为电流探头变比，单位为mV/A；I标为短时过电流设备输出的标准电流值24 A、120 A；ΔT为短时过电流试验设备输出电流持续时间的绝对误差，单位为s；T1为数字示波器测得的时间值，单位为s；T标为短时过电流试验设备输出电流标准持续时间值10 ms。

影响校准结果的主要不确定度来源包括测量重复性引入的标准不确定度、短时过电流试验设备输出电流允许误差引入的标准不确定度、短时过电流试验设备输出电流持续时间允许误差引入的标准不确定度、电流探头变比误差引入的标准不确定度、电流探头准确度引入的标准不确定度、数字示波器幅度测量准确度引入的标准不确定度、数字示波器时间周期测量准确度引入的标准不确定度、数字示波器电压读数显示分辨力引入的标准不确定度、数字示波器时间间隔读数显示分辨力引入的标准不确定度、人员及环境因素引入的标准不确定度。

实验室的温度在21.2℃～23.6℃范围内，相对湿度在45%～56%范围内，开展短时过电流试验的人员在2人～3人，根据经验获得，人员及环境因素不确定因素影响较小，可以不予考虑。

待测电流绝对误差ΔI是关于输入量I1、KI的函数，即：

输入量之间互不相关，根据不确定度传播率公式可得各灵敏函数为：

于是，电流绝对误差ΔI的合成标准不确定度为：

将式（4）、式（5）代入式（6）中，得出：

JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》定义L相对标准不确定度是标准不确定度除以测得值的绝对值［9］。因此，数字示波器引入的相对标准不确定度）表示，电流探头引入的相对标准不确定度用ucr（KI）表示，将式（7）更改为：

测量重复性引入的相对标准不确定度按照A类评定，电流探头数字示波器引入的相对标准不确定度按照B类评定，电流I相对误差的相对合成标准不

3.1 被测电流值24 A的相对标准不确定度评定

3.1.1 被测电流值24 A的相对标准不确定度A类评定

在相同测量条件下，使用数字示波器和电流探头（电流探头使用10 mV/A档位）重复测量24 A电流值10次，测量结果如表1所示。确定度为：

待测时间T使用数字示波器时间周期测量监测得出数据。与上述推导过程类似，时间T的相对合成标准不确定度为：

表1 24 A电流值的10次测量结果Tab.1 24 ampere current value of the measured results of 10 times

表2 24 A电流持续时间的10次测量结果Tab.2 24 ampere current duration of the measured results of 10 times

单次测量值的实验标准偏差为S（T1i），取第1次测量值作为测量结果，则测量重复性引入的相对A类标准不确定度为：

3.1.2 被测电流值24 A的相对标准不确定度B类评定

（1）短时过电流试验设备输出电流允许误差引入的相对标准不确定度uBr1

试验电流允许误差在0%～-10%范围内，区间半宽度为a1=5%，在区间内可以认为服从均匀分布，包含因子短时过电流试验设备试验电流允许误差引入的相对标准不确定度为：

（2）短时过电流试验设备输出电流持续时间允许误差引入的相对标准不确定度uBr2

持续时间允许误差在-10%～10%范围内，区间半宽度为a2=10%，在区间内可以认为服从均匀分布，包含因子短时过电流试验设备试验电流允许误差引入的相对标准不确定度为：（3）电流探头变比误差引入的相对标准不确定度uBr3

电流探头经校准合格，变比误差的相对扩展不确定度U=0.2%，包含因子k=2。根据B类评定的方法，电流探头变比误差可能值区间半宽度a3与其相对扩展不确定度U相等，即a3=0.2%。电流探头变比误差引入的相对标准不确定度为：（4）电流探头准确度引入的相对标准不确定度uBr4

1.确定评价标准。朗读的评价，在标准上我们主要考虑三个方面：一是读得是否正确，二是读得是否流利，三是读得是否有感情。

电流探头准确度为2%读数 +0.1 A，读数为23.0 A，区间半宽度为a4=0.56 A，在区间内可以服从均匀分布，包含因子则标准不确定度为：

电流探头准确度引入的相对标准不确定度为：

（5）数字示波器幅度测量准确度引入的相对标准不确定度uBr5

数字示波器经校准合格，幅度测量准确度的相对扩展不确定度U=0.5%，包含因子k=2。根据B类评定的方法，幅度测量准确度可能值区间的半宽度a5与其相对扩展不确定度U相等，即a5=0.5%。幅度测量准确度引入的相对标准不确定度为：（6）数字示波器时间周期测量准确度引入的相对标准不确定度uBr6

数字示波器时间周期测量准确度的相对扩展不确定度U=0.1%，包含因子k=2。根据B类评定的方法，时间周期测量准确度可能值区间的半宽度a6与其相对扩展不确定度U相等，即a6=0.1%。时间周期测量准确度引入的相对标准不确定度为：

（7）数字示波器电压读数显示分辨力引入的相对标准不确定度uBr7

采用200 mV/div，电压读数显示分辨力为1 mV，分辨力半宽度为a7=0.5 mV，在区间内可以认为服从均匀分布，取包含因子则标准不确定度为：

数字示波器电压读数显示分辨力引入的相对标准不确定度为：

（8）数字示波器时间间隔读数显示分辨力引入的相对标准不确定度uBr8

采用100 ns/div，时间间隔读数显示分辨力为1 ns，分辨力半宽度为a8=0.5 ns，在区间内可以认为服从均匀分布，取包含因子则标准不确定度为：数字示波器时间间隔读数显示分辨力引入的相对标准不确定度为：

3.2 被测电流值120 A的相对标准不确定度评定

3.2.1 被测电流值120 A的相对标准不确定度A类评定

在相同测量条件下，使用数字示波器和电流探头（电流探头使用1 mV/A档位）重复测量120 A电流值10次，测量结果如表3所示。

表3 120 A电流值的10次测量结果Tab.3 120 ampere current value of the measured results of 10 times

（2）数字示波器测量的时间值T1，测量结果如表4所示。

表4 120 A电流持续时间的10次测量结果Tab.4 120 ampere current duration of the measured results of 10 times

3.2.2 被测电流值120 A的相对标准不确定度的B类评定

120 A与24 A测量点电流探头准确度引入的相对标准不确定度不一致，其余B类评定数据同3.1.2章节。

电流探头准确度为2%读数+0.5 A，读数为115 A，区间半宽度为a4=2.8 A，在区间内可以服从均匀分布，包含因子则标准不确定度为：

单次测量值的实验标准偏差为S（T1i），取第1次测量值作为测量结果，则测量重复性引入的相对A类标准不确定度为：

电流探头准确度引入的相对标准不确定度为：

3.3 相对合成标准不确定度评定

被测电流值24 A、120 A时的各标准不确定度分量是互不相关的，采用方和根法合成，计算得出电流I的相对合成标准不确定度：

被测时间值0.5 s时的各标准不确定度分量是互不相关的，采用方和根法合成，计算得出时间T的相对合成标准不确定度：

3.4 相对扩展不确定度评定

取包含因子k=2，被测电流值24 A、电流持续时间0.5 s的相对扩展不确定度为：

取包含因子k=2，被测电流值120 A、电流持续时间0.5 s的相对扩展不确定度为：

对上述数据分析，电流探头变比引入的相对标准不确定度、电流探头准确度引入的相对标准不确定度、数字示波器的幅度测量引入的相对标准不确定度、数字示波器的时间周期测量引入的相对标准不确定度、数字示波器电压读数显示分辨力引入的相对标准不确定度、数字示波器时间间隔读数显示分辨力引入的相对标准不确定度与短时过电流试验设备的测量不确定度（或最大允许误差）之比小于1/3，满足实验室能力认可准则在校准领域的要求［10］。

4 结束语

文中通过具体实例，与实验室环境、人员等因素相结合，校准短时过电流试验设备，评定测量不确定度，得出校准结果满足GB/T 17215.322-2008《交流电测量设备特殊要求第22部分：静止式有功电能表（0.2S级和0.5S级）》要求，保证试验的准确性，也为实验室设备核查工作提供技术依据。在实际运用中，若使用相对标准不确定度不便，可转换成标准不确定度。