余國瑞 孫健 茅曉晨 陸福敏 王曉嵐/上海市計量測試技術(shù)研究院 上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室

0 引言

隨著核電的不斷發(fā)展，核電的安全是人們最關(guān)注的，這給確保核電運營安全提出了更高的要求。在核電領(lǐng)域中，檢修是確保核電運營安全的基礎(chǔ)，而確保核電檢測設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性是檢修任務(wù)的重中之重。

微機繼電保護測試系統(tǒng)、串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)和高壓開關(guān)機械特性測試儀的工作范圍包含了電力線路、電力系統(tǒng)的高壓開關(guān)和電力系統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)，其可靠性和準(zhǔn)確性是保障核電安全運營的重點。這些重要安全檢測設(shè)備的校準(zhǔn)工作關(guān)系到整個核電設(shè)施的正常運營及人員安全，至今，這些檢測設(shè)備在國內(nèi)還沒有一套系統(tǒng)的、完善的、可靠的、全性能的校準(zhǔn)方法。由于這些系統(tǒng)在核電領(lǐng)域中的重要作用，核電部門要求校準(zhǔn)的呼聲日益高漲。

本文著重研究上述三種核電領(lǐng)域重要安全保護設(shè)備校準(zhǔn)方法，研究在核電現(xiàn)場全性能的校準(zhǔn)方法，解決了微機繼電保護測試系統(tǒng)時間參數(shù)。諧波參數(shù)、開關(guān)量和模擬量；串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)獲取全諧振條件，諧振電壓畸變率和高壓開關(guān)機械特性測試儀時間、位移、速度和彈跳量的校準(zhǔn)。

1 校準(zhǔn)方法

1.1 微機繼電保護測試系統(tǒng)

校準(zhǔn)裝置（圖1）采用電能質(zhì)量分析儀、高精密數(shù)字多用表、數(shù)字存儲示波器、TFG5010T時間合成器和高壓開關(guān)機械特性校驗裝置進行校準(zhǔn)，據(jù)其出廠指標(biāo)進行判別。

微機繼電保護測試系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的預(yù)熱后，用高精密數(shù)字多用表進行測試系統(tǒng)的交直流電壓和頻率的數(shù)據(jù)采集，電能質(zhì)量分析儀對繼保裝置的電流進行采集，根據(jù)波形計算出相對應(yīng)的相位。用電能質(zhì)量分析儀單獨對測試系統(tǒng)的電壓和電流進行采樣，合成為相對應(yīng)的電壓和電流波形，對繼電保護系統(tǒng)進行諧波分析，得出電壓諧波和電流諧波數(shù)據(jù)，主要用于信號源單元的穩(wěn)態(tài)檢測。數(shù)字存儲示波器對繼電保護系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量進行測試。高壓開關(guān)機械特性校驗裝置作為時間標(biāo)準(zhǔn)源對繼電保護系統(tǒng)的時間測量誤差進行校準(zhǔn)。最后將標(biāo)準(zhǔn)器的測量結(jié)果輸入至計算機，對指標(biāo)進行判別，并進行校準(zhǔn)報告的打印。

1.2 串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)

校準(zhǔn)裝置（圖2）采用高精密數(shù)字多用表、電能質(zhì)量分析儀、高速記憶數(shù)字示波器和多功能高壓表進行校準(zhǔn)，據(jù)其出廠指標(biāo)進行判別。

圖2 串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)校準(zhǔn)

當(dāng)諧振回路達(dá)到全諧振時，用高精密數(shù)字多用表進行串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)中頻率的數(shù)據(jù)測量，高速記憶數(shù)字示波器對諧振回路的電壓波形進行采集并存儲，電能質(zhì)量分析儀對諧振回路的電壓波形失真率進行計算，得出諧振系統(tǒng)的波形畸變率。波形畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示，

式中：Un－ 第n次諧波電壓有效值；

U1－ 基波電壓有效值。

最后測量多功能高壓表對諧振系統(tǒng)中的高壓輸出，讀取測試數(shù)據(jù)，對指標(biāo)進行判別。

1.3 高壓開關(guān)機械特性測試儀

校準(zhǔn)裝置（圖3）采用高壓開關(guān)（動）特性測試儀時間校驗裝置和高壓開關(guān)（動）特性測試儀速度校驗裝置進行校準(zhǔn)，依據(jù)其出廠指標(biāo)進行判別。

利用PC操作高壓開關(guān)（動）特性測試儀時間校驗裝置，校驗裝置的輸出脈沖或電壓信號模擬實際的變化曲線，能真實地反映開關(guān)觸頭的運動狀況，從而對高壓開關(guān)機械特性測試系統(tǒng)的分閘時間、合閘時間和三相同期性進行精確的校準(zhǔn)。

圖3 高壓開關(guān)機械特性測試儀校準(zhǔn)

高壓開關(guān)（動）特性測試儀速度校驗裝置配有6個高精度位移傳感器，模擬的斷口信號能夠相對隔離，每個斷口的狀態(tài)變化參數(shù)獨立設(shè)定。對各種輸入輸出信號進行高速隔離或屏蔽處理，ADC采樣精確，從而對高壓開關(guān)機械特性測試系統(tǒng)的剛分速度、剛合速度、位移及彈跳性能進行校準(zhǔn)。最后計算機通過USB接口與高壓開關(guān)（動）特性測試儀校驗裝置通訊，讀取測試數(shù)據(jù)，對指標(biāo)進行判別，并進行校準(zhǔn)報告的打印。

2 技術(shù)關(guān)鍵

2.1 串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)如何達(dá)到全諧振

在R-L-C串聯(lián)電路中，出現(xiàn)線路端電壓和電流同相位的現(xiàn)象稱串聯(lián)諧振。電力系統(tǒng)中要盡量避免串聯(lián)諧振現(xiàn)象，因為串聯(lián)諧振時，電感、電容兩端電壓會比電源電壓大很多倍，容易在電網(wǎng)的某一部分造成過電壓，危及電氣設(shè)備的絕緣，造成設(shè)備損壞，引起其他事故。串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)是運用串聯(lián)諧振原理，利用勵磁變壓器激發(fā)串聯(lián)諧振回路，調(diào)節(jié)變頻控制器的輸出頻率，使回路電感L和試品C串聯(lián)諧振，諧振電壓即為加到試品的電壓，由控制器（調(diào)壓器，變頻器）、激勵變壓器、諧振電抗器等組成。諧振電抗器與被試樣品（負(fù)載電容）組成高壓諧振回路。串聯(lián)諧振系統(tǒng)中，被試品電容量為Cx；在調(diào)頻式系列中，L為裝置組合配置的固定電抗器；U0為激勵變壓器的激勵電壓。通過調(diào)壓器將變頻電源的能量輸入諧振回路補償其有功損耗，并通過調(diào)變頻率激發(fā)諧振。當(dāng)調(diào)頻頻率f為諧振頻率時，回路全諧振。在到達(dá)全諧振的過程中，要根據(jù)回路的LC條件，考量是否需要添加補償電容器。

2.2 串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)如何得到諧振電壓波形和畸變率

當(dāng)諧振回路達(dá)到全諧振時，用8846A高精密數(shù)字多用表進行串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)中頻率的數(shù)據(jù)測量，TDS3000C高速記憶數(shù)字示波器對諧振回路的電壓波形進行采集并存儲，日本HIOKI公司的3193電能分析儀對諧振回路的電壓波形失真率進行計算，得出諧振系統(tǒng)的波形畸變率。波形畸變率由公式（1）表示。

必須注意，要想得到較好的諧振電壓波形，必須在校準(zhǔn)系統(tǒng)的分壓器兩端獲取。系統(tǒng)的波形畸變率不能夠直接測得，需要進行轉(zhuǎn)換。因為電能質(zhì)量分析儀的測試量程1 000 V，而校準(zhǔn)時的測試電壓多為十幾千伏，應(yīng)先用示波器1 000倍衰減探頭將電壓降低后再進行測量。

2.3 高壓開關(guān)機械特性測試系統(tǒng)如何知道開關(guān)開始動作

在測試儀的內(nèi)部有兩個繼電器，分別用于合閘和分閘。每個繼電器都有三對常開接點（接點容量為10 A）。第一對接點接至測試儀背板上的分（合）閘控制，第二對接點接至測試儀面板上的分（合）閘指示燈，第三對接點接至測試儀內(nèi)部的計時觸發(fā)（即內(nèi)同步）。

以合閘為例，將測試儀面板上的合閘控制兩個端子接至被測開關(guān)上的合閘控制端子，當(dāng)用戶整定完參數(shù)后，進行測試時，測試儀會驅(qū)動內(nèi)部的合閘繼電器動作，使三對常開接點同時閉合，第一對接點的閉合會使開關(guān)動作，第二對接點的閉合會使測試儀面板上的合閘指示燈亮，第三對接點的閉合則去啟動測試儀內(nèi)部的計時器，測試儀會在設(shè)定的測量時間內(nèi)一直檢測12路斷口信號的變化，從而完成時間測量。

時間測量中，測試儀的數(shù)據(jù)是根據(jù)各斷口狀態(tài)變化記錄，而速度測量中測試儀的數(shù)據(jù)是根據(jù)采樣尺信號變化來記錄的，這樣，在速度測量中，開關(guān)本身的驅(qū)動回路以及操作機構(gòu)的延時時間不會參與計算，從而保證了速度測量中對動觸頭速度的精確測量。時間測量輸入信號只需要斷口狀態(tài)，而速度測量輸入信號同時需斷口狀態(tài)和采樣尺信號。開關(guān)動作時可能會產(chǎn)生彈跳，在這種情況下，合閘時超程數(shù)據(jù)可能會偏大，分閘時的開距數(shù)據(jù)也會偏大，而合閘時所測的開距以及分閘時所測的超程是可信的。

2.4 高壓開關(guān)機械特性測試系統(tǒng)被檢儀器不能檢測到斷口信號

校驗過程中，被檢儀器不能檢測到斷口信號，可能的原因：①斷口信號接線錯誤。校準(zhǔn)裝置提供多個獨立、隔離的斷口信號，被檢儀器往往需要將一些斷口連接在一起使用，此時應(yīng)了解儀器的詳細(xì)接線情況，將相應(yīng)的檢測端子進行短接等處理。還有一種可能的接線錯誤是：由于裝置模擬的斷口信號是有極性的，應(yīng)檢查被檢儀器的斷口檢測端子的電壓或電流激勵的極性是否和校準(zhǔn)裝置相一致；②設(shè)置的時間過長/過短/同期時間過大。一些儀器的斷口測量時間有明確的測量范圍，同時對測量的各斷口的同期時間也會進行處理，可以將校準(zhǔn)裝置的所有斷口時間設(shè)置成相同的，設(shè)置到儀器的檢測范圍內(nèi)，再進行正常的校準(zhǔn)工作。

3 不確定度分析

微機繼電保護測試系統(tǒng)、串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)和高壓開關(guān)機械特性測試系統(tǒng)是日常核電站中最常使用的電器安全保護設(shè)備，針對這3種設(shè)備分別討論各參數(shù)的測量不確定度評定。

微機繼電保護測試系統(tǒng)是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件(如發(fā)電機、線路等)或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設(shè)備。校準(zhǔn)項目包括微機繼電保護測試系統(tǒng)中工頻交流源、高頻交流源和直流源的電壓、電流、頻率、相位等電量參數(shù)，諧波參數(shù)以及閉合、開啟時間。

串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)是通過調(diào)整電感或電源頻率，使電感與電容達(dá)到諧振狀態(tài)的試驗裝置。該系統(tǒng)由變頻電源、勵磁變壓器、高壓電抗器和電容分壓器組成。被試品的電容與電抗器構(gòu)成串聯(lián)諧振連接方式。分壓器并聯(lián)在被試品上，用于測量被試品的諧振電壓，并作過壓保護信號。調(diào)頻功率輸出經(jīng)激勵變壓器耦合給串聯(lián)諧振回路，提供串聯(lián)諧振的激勵功率。廣泛用于電力、冶金、石油、化工等行業(yè)，適用于大容量、高電壓的電容性試品的交接和預(yù)防性試驗。校準(zhǔn)項目包括串聯(lián)諧振測試系統(tǒng)的諧振耐壓參數(shù)、自動諧振頻點、諧振電壓波形畸變率等。

高壓開關(guān)測試系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)場測試高壓開關(guān)動作特性的需要而開發(fā)研制的專用儀器。它以單片機為核心進行采樣、處理和輸出，其主要特點是采用人機對話的方式操作、顯示結(jié)果并打印輸出。配以精確可靠的速度/距離傳感器，可用于各種電壓等級的高壓開關(guān)的機械性參數(shù)的調(diào)試與測量。校準(zhǔn)項目：分（合）閘時間、同期性、開關(guān)行程分（合）閘平均速度等。

3.1 不確定度評定步驟

測量不確定度評定通常包括測量過程簡述、數(shù)學(xué)模型建立、各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定、合成不確定度及擴展不確定度的評定。

在評定過程中:

1) 列出被測量Y 和各輸入量xi之間的函數(shù)關(guān)系 Y = f（X1, X2, … XN），計算靈敏度系數(shù) Ci；

2) 確定輸入量的估計值xi，采用A類評定或B類評定方法計算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（xi）；

3) 如果有一些或所有輸入量的值是相關(guān)的，計算其協(xié)方差或相關(guān)系數(shù)；

4) 根據(jù)函數(shù)關(guān)系、輸入量的估計值計算被測量的估計值y。如果有已知對系統(tǒng)影響修正值，應(yīng)對y進行修正。

5) 計算測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc( y )；

6) 根據(jù)置信水平p 確定包含因子k ，計算擴展不確定度U。

3.2 不確定度匯總

通過計算和分析，核電領(lǐng)域電器安全保護設(shè)備示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定匯總?cè)绫?所示。

表1 示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定匯總

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