超低频高压发生器的校准方法及不确定度评定

刘晓琴 吕东瑞

摘  要：介绍了超低频高压发生器及用途，参考DL/T 849.4-2004《电力设备专用测试仪器通用技术条件第4部分：超低频高压发生器》的技术要求，同时结合多家电力仪器设备生产商生产的超低频高压发生器的功能及技术参数，提出了超低频高压发生器的计量性能及项目，设计出了超低频高压发生器的校准方法，并对峰值电压的测量结果的不确定度进行了评定。

关键词：超低频高压发生器;计量特性;校准项目;校准方法;不确定度

中图分类号：TM935.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0049-03

Calibration Method and Uncertainty Evaluation of

Ultra-Low Frequency High Voltage Generator

LIU Xiaoqin，LV Dongrui

（Guangzhou GRG Metrology & Test Co.，Ltd.，Guangzhou  510656，China）

Abstract：This paper introduces the ultra-low frequency high voltage generator and its application. Refer to the technical requirements of DL/T 849.4-2004 “General Technical Conditions for Power Equipment Special Test Equipment Part 4 Ultra Low Frequency High Voltage Generator”，at the same time，combined with the functions and technical parameters of ultra-low frequency and high voltage generator produced by several power instrument and equipment manufacturers，the measurement performance and project of the ultra-low frequency high-voltage generator are proposed，and the calibration method of the ultra-low frequency high-voltage generator is designed，and the uncertainty of the measurement results of peak voltage is evaluated.

Keywords：ultra-low frequency high voltage generator;metering characteristics;calibration project;calibration method;uncertainty

0  引  言

超低頻高压发生器，是输出电压的频率小于等于1Hz，输出电压的波形为正弦波或余弦方波的高压电源发生装置，主要用于对（地埋）电力电缆进行耐压试验（预防性试验），即检查电力电缆的绝缘状况的试验设备。电力电缆的可靠绝缘是保证供电可靠性的重要措施之一。但目前我国还没有超低频高压发生器的检定规程或校准规范，故很多计量机构在开展此项目时，没有检定规程/校准规范可依据，存在校准方法不正确、校准参数不全等情况，不能对被校超低频高压发生器的其量值进行有效的溯源。

1  范围

本校准方法适用于超低频高压发生器的校准。

2  引用文件

DL/T 849.4-2004《电力设备专用测试仪器通用技术条件第4部分：超低频高压发生器》

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本方法;凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本方法。

3  术语及计量单位

3.1  超低频高压发生器（very low frequency high-voltage generator）

输出电压频率小于或者等于1Hz，输出电压的波形为正弦波或者余弦方波的高压电源发生装置。

3.2  额定输出电压（rated output voltage）

超低频高压发生器的输出标称峰值电压。

3.3  额定频率（rated output frequency）

超低频高压发生器的标称频率，它可以是一个单一频率，也可以是可调的多个频率。

4  超低频高压发生器简介

超低频高压发生器，主要用于对电容性被试品（如电力电缆、大中型发电机、电动机和电力电容器等）进行超低频交流高压试验。装置一般由升压器和控制箱两部分组成。常见的超低频高压发生器其额定频率为0.1Hz、0.05Hz、0.02Hz等。

5  计量特性

5.1  输出电压峰值误差及稳定度

范围：（1～100）kV，最大允许误差：±3%;输出电压稳定度小于1%。

5.2  输出电压频率误差及稳定度

范围：（0.01～1）Hz，或固定频率点：0.02Hz、0.05Hz、0.1Hz等，最大允许误差：±3%;输出电压频率稳定度小于3%。

5.3  输出正弦电压的波形畸变率

波形畸变率小于5%。

5.4  输出余弦方波电压的极性转换时间

极性转换时间不大于10ms。

5.5  输出电压正/负半周周期对称性

正/负半周周期的绝对误差小于0.5s;正/负半波峰值偏差小于5%。

注：具体计量特性，可参照被校超低频高压发生器的要求。以上要求不适用于合格性判别。

6  校准项目及校准方法

6.1  校准条件

6.1.1  环境条件

温度：（20±5）℃;相对湿度：≤80%;电源电压：220V（1±10%），或380V（1±10%）;电源频率：50Hz（1±5%）。

6.1.2  测量标准及辅助设备

（1）标准分压器（1Hz），0.5级;

（2）标准数字电压表，0.1级;

（3）示波器。

6.2  校准项目和校准方法

6.2.1  输出电压示值误差校准

接线如图1所示，连接被校超低频高压发生器、标准分压器和标准峰值电压表（或示波器），在额定频率（有多个工作频率的超低频高压发生器，应分别在每个频率下进行校准）下，调节超低频高压发生器输出电压至额定电压的20%、60%、80%、100%，在电压上升和下降阶段中，分别读取峰值电压表读数，取平均值作为电压标准值，则输出电压示值误差等于被校高压发生器电压示值减去电压标准值。

6.2.2  输出电压短期稳定性的校准

接线如图1所示，调节超低频高压发生器输出电压至额定电压，在60min内或被校高压发生器说明书规定的时间间隔内，按一定的时间间隔记录输出峰值电压Vi，并从所有的测量值Vi中选取最大值和最小值，则短期稳定性Sev按式（1）计算：

6.2.3  输出电压频率误差的校准

接线如图1所示。调节超低频高压发生器输出电压至额定电压，用标准电压表的频率测量功能测量输出电压的频率值。有多个工作频率的超低频高压发生器，应对每个频率都进行校准。

6.2.4  输出电压频率短期稳定性校准

接线如图1所示，调节超低频高压发生器输出电压至额定电压，在60min内或被校高压发生器说明书规定的时间间隔内，记录输出电压频率值的最大变化量，短期稳定性按式（1）计算。

6.2.5  输出正弦波电压的波形畸变率

对输出电压为正弦波的超低频高压发生器，测量其输出电压波形畸变率。接线如图1所示。在额定频率下，调节输出电压逐步上升至30%、50%、80%和100%的额定值，分别测量其峰值和有效值，则波形畸变率r按式（2）计算：

6.2.6  输出余弦方波电压的极性转换时间

对输出电压为余弦方波的超低频高压发生器，测量其输出电压极性转换时间。接线如图2所示。在额定频率下，调节输出电压逐步上升至30%、50%、80%和100%的额定值，用示波器记录器输出电压波形，分别测量从正峰值的90%至负峰值的90%及负峰值的90%至正峰值的90%的极性转换时间。

6.2.7  输出电压正/负半周周期对称性

接线如图2所示。在额定频率下，调节输出电压逐步上升至30%、50%、80%和100%的额定值，用示波器记录器输出电压波形，分别测量输出电压正、负半周的周期，和正、负半波的峰值，计算正/负半周周期误差和正/负半波峰值偏差。

7  校准结果

校准结果均应在校准证书上反映。校准证书应至少包括标题、校准方的名称和地址、客户的名称和地址、校准日期、校准所用测量标准的溯源性及有效性说明、校准结果及其测量不确定度的说明、校准环境等JJF1071-2010《国家计量校准规范编写规则》5.12所要求的内容。

8  复校时间间隔

建议复校时间间隔为1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸多因素多决定的，因此，送校单位可根据实际仪器使用情况自行决定复校时间间隔。

9  测量结果的不确定度评定

9.1  测量方法

校准接线如图1所示，连接被校超低频高压发生器、标准分压器和标准电压表，调节超低频高压发生器的输出电压至校准点，记录标准电压表的示值。

9.2  测量模型

9.4  标准不确定度评定

不确定度来源主要为被测设备的测量重复性、所用标准器的允差，以及环境条件的影响等。因校准时严格按照规程要求的环境条件进行，故其引入的标准不确定度分量可以忽略不计。

9.4.1  由测量重复性引入的标准不确定度uA

被校实验装置输出电压10kV，用校准装置进行10次重复测量结果如表1所示。

9.4.2  标准分压器引入的标准不确定度分量uB1

由标准分压器技术指标得知其最大允许误差为±0.5%，设其服从均匀分布，取包含因子为k=，由计算公式uB1= a/，标准不确定度uB1=0.29%。

9.4.3  标准电压表引入的标准不确定度分量uB2

由标准电压表技术指标得知其最大允许误差为±0.1%，设其服从均匀分布，取包含因子为k=，由计算公式uB1= a/，标准不确定度uB1=0.058%。

9.5  合成不确定度计算

通过以上分析得知，其不确度分量有uA、uB1、uB2等项，且各项互不相关，其相对合成不确定度：uc== 0.30%。

9.6  扩展不确定度

取k=2，则相对扩展不确定度Urel=kuc=0.6%。

10  结  论

本文参考DL/T 849.4-2004《电力设备专用测试仪器通用技术条件第4部分：超低频高压发生器》的技术要求，同时结合多家电力仪器设备生产商生产的超低频高压发生器的功能及技术参数，设计出了超低频高压发生器的校准方法，并通过大量的试验验证了方法的可行性，可以为超低频高压发生器校准规范的编写提供参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 849.4-2004 电力设备专用测试仪器通用技术条件第4部分：超低频高压发生器 [S].北京：中国电力出版社，2004.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.JJG 795-2016 耐电压測试仪检定规程 [S].北京：中国质检出版社，2016.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1597-2016 直流稳定电源校准规范 [S].北京：中国质检出版社，2016.

[4] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示 [S].北京：中国质检出版社，2012.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.JJF 1071-2010 国家计量校准规范编写规则 [S].北京：中国质检出版社，2010.

作者简介：刘晓琴（1984-），女，汉族，重庆长寿人，科研经理，本科，研究方向：无线电、时间频率、光电子测量仪器的校准和测试。