徐子立 王 昊 齊 聰 張 軍 朱 凱

(1.中國電力科學研究院計量研究所，武漢430074；2．中國計量科學研究院，北京100013)

0 引言

高壓開關作為電力系統(tǒng)中重要的控制設備，其機械性能的可靠程度對高壓開關的正常工作起到十分重要的作用。高壓開關動作特性(機械特性)測試儀常用作檢測設備評估高壓開關的機械特性[1-2]，其測量參數(shù)主要包括分/合閘時間等時間量、分/合閘速度等速度量和開距/超程等行程量。由于其工作原理和測量接口特殊，在目前的電力系統(tǒng)預防性試驗中，大多只對其時間標準量開展校準/檢定工作[3-5]。

針對高壓開關測試儀整體溯源工作中的困難，中國計量科學研究院研制了一套高壓開關動作特性測試儀計量標準裝置(以下簡稱標準裝置)。該標準裝置針對測試儀工作原理設計，采用直線電機模擬高壓開關的分合閘動作，能夠?qū)Ω邏洪_關測試儀的時間量、速度量、行程量進行整體校準/檢定工作[6]。

由于標準裝置的結(jié)構復雜，時間標準量主要由模擬電路完成，速度標準量和行程標準量通過直線電機提供，三者之間還需要通過同步觸發(fā)信號等配合工作，且速度標準量中的分/合閘速度、行程標準量中的開距/超程與分/合閘點的選擇有直接的關系，研究其測量結(jié)果的不確定度十分重要。本文根據(jù)高壓開關動作特性測試儀計量標準裝置的工作原理，按JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》[7]和《高電壓測試設備通用技術條件第3部分：高壓開關綜合測試儀》[8]中高壓開關動作特性相關定義，研究了標準裝置時間標準量、速度標準量、行程標準量測量不確定度來源和評定方法。

1 標準裝置的工作原理及技術參數(shù)

1.1 工作原理

標準裝置的工作原理如圖1所示：

圖1 標準裝置原理框圖

標準裝置由上位機和下位機結(jié)構組成，上位機軟件用來設定所需的時間標準量、速度標準量和行程標準量，并對下位機測量的數(shù)據(jù)進行計算處理。下位機由時間標準模塊和行程及速度標準模塊組成。

操作人員完成參數(shù)設置并啟動開始按鈕后，標準裝置等待同步觸發(fā)信號，接收到同步觸發(fā)信號后，時間標準模塊和行程及速度標準模塊同時按照設定參數(shù)進行工作。時間標準模塊啟動定時計數(shù)器，定時時間為設定的時間標準量，定時時間到時控制斷口電平信號變化，生成標準時間信號t，模擬高壓開關的分閘時間、合閘時間等時間參量；行程及速度標準模塊啟動直線電機按照設定行程和速度參數(shù)運行，電機運行時安裝在電機導軌上的光柵尺會產(chǎn)生正交脈沖，標準裝置采集并儲存此脈沖信號獲得電機運行的行程-時間曲線，再對行程-時間曲線進行微分計算獲得速度-時間曲線，并根據(jù)高壓開關相關行程和速度參數(shù)的定義計算得到開距、超程等行程標準量s和剛分速度、剛合速度等速度標準量v。

被檢高壓開關動作特性測試儀時間測量端口通過檢測輸出端口的電平信號的變化測量標準裝置產(chǎn)生的標準時間量。行程測量端口在位移傳感器的兩端施加電壓，測量直線電機運動前后觸頭電壓差，通過傳感器的長度參數(shù)，可計算得到行程量。測試儀根據(jù)測量時間量和行程量，可計算得到速度量。通過標準裝置的標準量和測試儀測量值即可計算獲得測試儀的誤差，實現(xiàn)對測試儀的校準檢定工作。

1.2 技術參數(shù)

標準時間輸出范圍：10～1000ms；分辨力：0.01ms；最大允許誤差：±0.05ms

標準行程輸出范圍：10～600mm；最大允許誤差：±(0.1%設定值+0.06mm)

標準速度輸出范圍：0.2～8.0m/s；最大允許誤差：±(1%讀數(shù)+0.01m/s)

2 時間標準量不確定度分析

根據(jù)時間標準模塊的原理，不確定度主要來源于三個方面：即FPGA定時晶振頻率不確定度、定時器啟動延時不確定度和同步信號檢測延時不確定度。選擇999ms處為例進行不確定度分析。

2.1 FPGA定時晶振頻率不確定度

FPGA技術文檔上定時晶振頻率最大允許誤差為±3.0×10-5，均勻分布，在999ms處標準不確定度為：

2.2 定時器啟動延時不確定度

定時器啟動延時為時間標準模塊接收到同步觸發(fā)信號后到定時器啟動之間的延時，與標準時間設定的值沒有關系，經(jīng)過實際測量為平均值為5.0×10-4ms，均勻分布，在999ms處標準不確定度為：

2.3 同步信號檢測延時不確定度

同步信號檢測延時為時間標準模塊檢測同步信號所需要的延時，標準裝置支持電壓同步、電流同步和控接點同步三種觸發(fā)方式。通過實際測量采用電壓同步時延時平均值為5.0×10-3ms，采用電流同步時延時平均值為2.0×10-3ms，采用空接點同步時延時平均值為5.0×10-4ms，均勻分布，在999ms處標準不確定度為：

2.4 時間標準量不確定度A類分量

時間標準量不確定度的A類分量測量采用EE3386通用計數(shù)器，該計數(shù)器共有兩路信號輸入端，單路時間測量的準確度為1×10-8s，校準時使用通道A檢測觸發(fā)信號，通道B對時間標準量進行測量，測量結(jié)果如表1所示：

表1 時間標準量不確定度A類分量

2.5 不確定度合成

根據(jù)測試和分析的結(jié)果，時間標準量測量不確定度的合成如表2所示：

表2 時間標準量不確定度合成

由于時間標準量最大允許誤差使用絕對量，則只用在時間標準模塊量程上限處進行分析即可確定是否滿足設計要求。

結(jié)論：當包含因子k=3時，時間標準量的擴展不確定度U=5.1×10-2ms，與時間標準模塊誤差限額5.0×10-2ms相當，時間標準模塊約有99%概率滿足設計要求。

3 行程標準量不確定度分析

根據(jù)行程標準模塊的原理，不確定度主要來源于兩個方面：即光柵尺誤差引入不確定度和行程采樣分辨力引入不確定度。選擇行程600mm處為例進行不確定度分析。

3.1 光柵尺不確定度

電機技術文檔上光柵尺最大允許誤差為±3.5×10-4，均勻分布，在600mm處標準不確定度為：

3.2 行程采樣分辨力引入不確定度

電機技術文檔上行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長度1.2×10-2mm，與電機運動行程無關，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號，在600mm處標準不確定度為：

3.3 行程標準量不確定度A類分量

行程標準量不確定度的A類分量測量采用雷尼紹激光干涉儀，該干涉儀每米測量的最大允許誤差為±5×10-7m，測量結(jié)果如表3所示：

表3 行程標準量不確定度A類分量

3.4 不確定度合成

根據(jù)測試和分析的結(jié)果，行程標準量測量不確定度的合成如表4所示：

為了研究行程標準量在整個量程內(nèi)的不確定度，按本章所述方法得到20mm處擴展不確定度U=1.8×10-2mm(k=3)，300mm處擴展不確定度U=1.8×10-1mm(k=3)。

表4 行程標準量不確定度合成

結(jié)論：當包含因子k=3時，行程標準量在20mm處的擴展不確定度U=1.8×10-2mm，小于行程標準模塊20mm誤差限額8.0×10-2mm，行程標準量在300mm處的擴展不確定度U=1.8×10-1mm，小于行程標準模塊300mm誤差限額3.6×10-1mm，行程標準量在600mm處的擴展不確定度U=3.6×10-1mm，小于行程標準模塊600mm誤差限額6.6×10-1mm，行程標準模塊超過99%概率滿足設計要求。

4 速度標準量不確定度分析

根據(jù)速度標準模塊的原理，不確定度主要來源于三個方面：即光柵尺不確定度、行程采樣分辨力和FPGA定時晶振頻率不確定度。選擇速度5.0m/s處為例進行不確定度分析。

4.1 光柵尺不確定度

電機技術文檔上光柵尺最大允許誤差為±3.5×10-4，均勻分布，分(合)閘速度的定義為分合閘前(后)10mm的平均速度，則標準不確定度為：

4.2 行程采樣分辨力引入不確定度

電機技術文檔上行程采樣分辨力為光柵尺一個柵格長度1.2×10-2mm，均勻分布，電機需通過整個柵格才會產(chǎn)生一個脈沖信號，分(合)閘速度的定義為分合閘前(后)10mm的平均速度，標準不確定度為：

4.3 FPGA定時晶振頻率不確定度

FPGA技術文檔上定時晶振頻率最大允許誤差±3.0×10-5，均勻分布，標準不確定度為：

4.4 速度標準量不確定度A類分量

速度標準量不確定度的A類分量測量采用MUJ-6D速度標準裝置，該速度標準裝置的準確度為0.5%，測量結(jié)果如表5所示：

表5 速度標準量不確定度A類分量

4.5 不確定度合成

根據(jù)測試和分析的結(jié)果，速度標準量測量不確定度的合成如表6所示：

表6 行程標準量不確定度合成

為了研究速度標準在整個量程內(nèi)的不確定度，按本章所述方法得到0.2m/s處擴展不確定度Urel=1.4×10-3(k=3)，8.0m/s處擴展不確定度Urel=3.8×10-3(k=3)。

結(jié)論：當包含因子k=3時，速度標準量在0.2m/s處、5.0m/s和8.0m/s處的擴展不確定度U均小于速度標準模塊誤差限額(1%讀數(shù)+0.01m/s)，速度標準模塊超過99%概率滿足設計要求。

5 結(jié)語

本文根據(jù)高壓開關動作特性標準裝置的工作原理，對其時間標準量、行程標準量、速度標準量進行了不確定度分析，研究了其不確定度分量來源及評定方法。通過擴展不確定度的計算，本標準裝置時間、行程和速度標準量有超過99%的概率滿足設計要求。

[1] 雷浩，趙忠，金基平，等．基于ARM和FPGA的高壓開關機械特性測試系統(tǒng)[J]．儀表技術與傳感器，2009(3)

[2] 武建文，白洪超，張丹丹，等．適用于新標準的斷路器機械特性測試裝置[J]．高壓電器，2006，42(4)

[3] 賈祺．高壓開關動特性測試儀合、分閘時間測量準確度校準方法探討[J]．計量技術，2008(1)

[4] 張志濱．高壓開關特性測試儀時間參數(shù)的校準方法[J]．計量技術，2007(1)

[5] 李瑾，李俊峰，沈宏．高壓開關機械特性測試儀時間參數(shù)的校準[J]．企業(yè)標準化，2006(6)

[6] 劉皓宇，劉曉明，杜文艷．高壓開關分合閘速度測試系統(tǒng)[J]．高電壓技術，2007，33(5)

[7] JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》[S]

[8] DL/T 846.3—2004《高電壓測試設備通用技術條件第3部分：高壓開關綜合測試儀》[S]