傅士冀 黃曉英 陳 俊 何 镕

(湖北省電力公司電力試驗研究院，武漢 430077)

0 引言

高壓開關(guān)設(shè)備的導電回路電阻指的是高壓隔離開關(guān)、斷路器等電氣設(shè)備接觸點之間接觸電阻或?qū)щ娀芈冯娮?。按電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗規(guī)程要求，高壓開關(guān)設(shè)備的導電回路電阻是現(xiàn)場必須完成的測試項目之一。應(yīng)用于現(xiàn)場的回路電阻測試儀測量的是不小于100A直流電流狀態(tài)下的微歐量級電阻，目前我國的JJG 2051—1990《直流電阻計量器具檢定系統(tǒng)》中缺少通流能力為100A及以上、阻值為100μΩ及以下的直流電阻溯源環(huán)節(jié)，本文提出的高壓開關(guān)設(shè)備導電回路電阻量值溯源路徑和溯源方法，使高壓開關(guān)導電回路電阻的測量及量值溯源和標準器的校準形成一個完整的系統(tǒng)，給出的測量結(jié)果不確定度評定適合于通流能力為100A，標稱值為10-5～10-2Ω的直流電阻計量器具的校準。

1 溯源方法

1.1 設(shè)備導電回路電阻溯源至回路電阻測試儀

高壓開關(guān)設(shè)備導電回路電阻溯源至回路電阻測試儀，采用的是直接測量法。

在現(xiàn)場條件下，用0.5級回路電阻測試儀對1～1999μΩ的斷路器、隔離開關(guān)等高壓電氣設(shè)備接觸電阻和導電回路電阻進行四線制直接測量，測量電流不小于100A。被校電阻為：

Rx=Ax

式中，Rx為被校電阻值；Ax為回路電阻測試儀示值。

1.2 回路電阻測試儀溯源至0.1級標準電阻

0.5級回路電阻測試儀量值溯源至0.1級標準電阻器，采用的是直接測量法。

按JJG 166—1993《直流電阻器檢定規(guī)程》第四章第27條給出的方法，在規(guī)定的條件下，以比被校準電阻高兩個準確度等級的0.1級標準電阻器為標準，用回路電阻測試儀對10只(1～10)×10μΩ和10只(10～100)×10μΩ標準電阻進行逐只測量，所得測量結(jié)果為回路電阻測試儀的校準結(jié)果，測量電流不小于100A。

測試儀的校準誤差為：

Δ=Ax-Rs

式中，Δ為被?；芈冯娮铚y試儀示值的絕對誤差；Ax為被校儀器示值；Rs為標準電阻器實際值。

1.3 0.1級標準電阻溯源至0.02級標準電阻

0.1級標準電阻器溯源至0.02級標準電阻器，采用的是過渡傳遞法。

以0.02級標準電阻器為標準，通過智能電阻校準儀對施加在標準電阻上的電壓Us和施加在被校電阻上的電壓Ux進行測量，得到其比值，從而得到被校電阻值，測量電流100A。

在JJG 166—1993第一章第7條規(guī)定的環(huán)境條件下，有：

B=Ux/Us

Rx=B×Rs

式中，B為Ux和Us測量結(jié)果的比值，Rx為被校電阻值，Rs為0.02級標準電阻器實際值。

1.4 0.02級標準電阻溯源至二等標準電阻

0.02級標準電阻器溯源至二等標準電阻，采用的是同標稱值傳遞法或替代法。

按JJG 166—1993第四章第28條給出的方法，在規(guī)定的條件下，用10-2Ω二等標準電阻作為標準，通過直流比較儀電橋?qū)?0-4Ω被校電阻進行比較，從而測得被校電阻值，測量電流100A。

被校電阻為：

Rx=Rs+(Ax-As)

式中，Rx為被校電阻值，Rs為二等標準電阻實際值，Ax為測量Rx時比較儀的示值，As為測量Rs時比較儀的示值。

2 量值溯源路徑圖

高壓開關(guān)設(shè)備導電回路電阻量值溯源路徑圖見圖1。根據(jù)現(xiàn)場對通流能力為100A及以上、阻值為100μΩ及以下導電回路電阻的測試需要，確定0.5級回路電阻測試儀的量值溯源需求，向上一級溯源的標準電阻器技術(shù)指標為(1～10)×10μΩ/(100～300)A/0.1級；再根據(jù)0.1級標準電阻器的指標確定其上一級標準器的技術(shù)指標為100μΩ/100A/0.02級，最終溯源至國家電阻基準、標準。

圖1 導電回路電阻量值溯源路徑圖

3 測量結(jié)果不確定度評定

每一級電阻量值向上溯源的校準不確定度按JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》進行評定。

分別以0.02級標準電阻測量結(jié)果和回路電阻測試儀電阻示值誤差測量結(jié)果為例，闡述了其不確定度評定。

4 0.02級標準電阻測量結(jié)果不確定度評定

4.1 測量方法

依據(jù)JJG 166—1993、JJG 2051—1990和JJF 1059—1999，在規(guī)定環(huán)境條件下，用二等標準電阻(0.01Ω)作為標準(最大允許誤差為±2×10-5)，通過QJ55直流比較儀電橋(最大允許誤差為±2×10-6)對被校標準電阻(0.02級)進行不同標稱值的比較，從而測得被校電阻值。

其測量連接圖見圖2，測量電流100A。

圖2 標準電阻測量連接圖

4.2 數(shù)學模型

Rx=Rs+(Ax-As)

式中，Rx為被校電阻值；Rs為二等標準電阻實際值；Ax為測量Rx時比較儀的示值；As為測量Rs時比較儀的示值。

設(shè)Rx=Rs+(Ax-As)為Rx=Rs+A

則依照JJF 1059—1999公式(18)得：

u2(Rx)=c2(Rs)u2(Rs)+c2(A)u2(A)

靈敏系數(shù)：

c(Rs)=?f/?Rs=1c(A)=?f/?(A)=1

4.3 不確定度分析及評定

影響測量結(jié)果的不確定度來源主要有以下因素：由于各種隨機因數(shù)影響使讀數(shù)不重復(fù)；標準器引入的誤差；測量裝置和溫度影響引入的誤差。

4.3.1 讀數(shù)重復(fù)性引入的標準不確定度u1(A類)

用QJ55直流比較儀電橋?qū)?00μΩ標準電阻器進行10次獨立重復(fù)測量，重復(fù)測量結(jié)果見表1。

表1重復(fù)測量結(jié)果

測量結(jié)果的平均值Rx=99.99631μΩ

實驗標準偏差s：

重復(fù)測量的不確定度(相對值)：

u1=s/100μΩ=2.5×10-6

其自由度：ν1=n-1=10-1=9

4.3.2 標準電阻Rs誤差引入的不確定度u2(B類)

1)標準電阻Rs實際值的傳遞不確定度u21

其自由度：ν21=∞

2)標準電阻Rs年穩(wěn)定性引入的不確定度u22

按JJG 166—1993第一章的規(guī)定，二等標準電阻(0.01Ω)的最大允許年穩(wěn)定性為±20×10-6，即最大允許誤差的區(qū)間半寬度：a22=20×10-6。設(shè)在該區(qū)間為正態(tài)分布，k22=3，則：

u22=20×10-6/3=6.66×10-6

其自由度：ν22=∞

3)u2合成

上述兩項合成：

由于兩項的自由度均為∞，故合成后的自由度為：ν(Rs)=∞

4.3.3 由測量裝置和溫度影響引入的不確定度u3(B類)

1)測量裝置靈敏度引入的不確定度u31

按JJG 166—1993第四章的規(guī)定，測量裝置靈敏度帶來的誤差分別為±10×10-6，設(shè)其變化區(qū)間的半寬度為分辨力的一半，即：a31=5×10-6。

其自由度：ν31=∞

2)直流比較儀式電橋引入的不確定度u32

由QJ55直流比較儀電橋的使用說明書，測量100μΩ時，測量誤差為±2×10-6，即最大允許誤差的區(qū)間半寬度：a32=2×10-6。

設(shè)在該區(qū)間為正態(tài)分布k32=3，則：

u32=2×10-6/3=0.66×10-6

其自由度：ν32=∞

3)由連接電阻、寄生電勢、絕緣泄漏、靜電感應(yīng)、電磁干擾和零電流等因素引入的不確定度u33

按JJG 166—1993第四章的規(guī)定，由連接電阻、寄生電勢、絕緣泄漏、靜電感應(yīng)、電磁干擾、零電流等因素所引入的誤差不應(yīng)超過10×10-6，即最大允許誤差的區(qū)間半寬度：a33=10×10-6。

其自由度：ν33=∞

4)由負載差引起的溫差引入的不確定度u34

測量100μΩ時，比例系數(shù)K=1/100，即當測試電流Ix=100A，則Is=1A，標準和被校的負載不一樣，引起的溫升也不一樣。據(jù)有關(guān)資料，標準電阻的負載系數(shù)(單位功率的溫升)Kp<1℃/W，故由負載引起的溫差：

as≤10×10-6℃-1

=(1002×0.0001-12×0.01)×1

=0.99℃

按JJG 166—1993第四章的規(guī)定，溫度系數(shù)為：

取最大值a=10×10-6℃-1，即最大允許誤差的區(qū)間半寬度：

a34=0.99℃×10×10-6℃-1=9.90×10-6。

由于按目前的工藝，Kp取1℃/W計算很可靠，所以自由度為：ν34=∞

5)溫度系數(shù)差引入的不確定度u35

由于測量時恒溫槽的溫度不可能絕對地控制在20℃，所以需要考慮標準電阻和被校電阻的溫度系數(shù)之差帶來的不確定度。按JJG 166—1993第四章的規(guī)定，二等標準電阻的溫度系數(shù)應(yīng)不超過±15×10-6℃-1，取最大差值30×10-6℃-1；按JJG 166—1993第四章的規(guī)定，允差Δtx最大值為0.1℃。所以最大允許誤差的區(qū)間半寬度：

a35=30×10-6℃-1×0.1℃=3×10-6

由于按此區(qū)間計算很可靠，故自由度為：ν35=∞

6)u3合成

=8.81×10-6

由于以上5項的自由度均為∞，故合成后的自由度為：ν3=∞

4.3.4 合成標準不確定度uc

其自由度：

4.3.5 擴展不確定度Urel

依據(jù)要求，置信水平為p=95%，有效自由度νeff>100，查t分布表得到t95(νeff>100)=1.96，取kp=2。計算擴展不確定度：

U95rel=kp×uc=2×1.3×10-5=2.6×10-5

4.4 測量不確定度評價

校準不確定度(2.6×10-5)與被校0.02級標準電阻允許誤差±2×10-4的模值之比為1.3/10，按微小誤差準則判斷遠小于1/3～1/5，符合校準要求。

5 回路電阻測試儀電阻示值誤差測量結(jié)果不確定度評定

依據(jù)JJG 1052—2009《回路電阻測試儀、直阻儀檢定規(guī)程》和JJG 2051—1990，選取最大允許誤差為±1×10-3的0.1級/(10～100)μΩ/100A標準電阻器作為標準，以0.5級回路電阻測試儀作為被校準對象進行不確定度評定，其測量方法為：在規(guī)定條件下，用回路電阻測試儀對0.1級/(10～100)μΩ/150A標準電阻器進行直接測量。

5.1 不確定度分析與評定

與前級電阻溯源鏈的不確定度評定方法相同，可得回路電阻測試儀電阻示值誤差的測量結(jié)果不確定度如下：

1)標準電阻器誤差引入的不確定度u1(B類)：

u1=0.58×10-3ν1=∞

2)回路電阻測試儀分辨力引入的不確定度u2(B類)：

u2=0.29×10-3ν2=∞

3)重復(fù)測量的不確定度(相對值)u3(A類)：

u3=0.44×10-3ν3=n-1=9

4)合成標準不確定度uc：

其自由度：

5)擴展不確定度Urel：置信水平為p=95%，有效自由度νeff=89時，查t分布表得到t95(νeff=89)≈1.984，取kp=2，則

Urel=kp×uc=2×0.78×10-3=1.6×10-3

5.2 測量不確定度評價

校準不確定度(1.6×10-3)與被校儀器最大允許誤差5×10-3的模值之比約為1/3，按微小誤差準則(1/3)判斷，滿足校準要求。

6 結(jié)束語

電力系統(tǒng)運行的高壓開關(guān)設(shè)備成千上萬，若高壓開關(guān)設(shè)備在運行中過熱將會對電網(wǎng)安全運行和用戶用電造成極大的影響，而高壓開關(guān)設(shè)備接觸點之間的接觸電阻和導電回路電阻的量值變化直接反映了這些開關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)，準確測量尤為重要。通過本文確立的高壓開關(guān)設(shè)備導電回路電阻量值溯源鏈為準確測量其量值提供了科學合理的方法，極具實用價值和顯著的經(jīng)濟效益。

[1] JJG 2051—1990直流電阻計量器具檢定系統(tǒng).北京：中國計量出版社，1990

[2] JJG 166—1993直流電阻器檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，1993

[3] JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示.北京：中國計量出版社，1999

[4] JJG 1052—2009回路電阻器測試儀、直阻儀檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2009