劉 罡，秦悅維，姜春陽(yáng)

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

500 kV 工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置及其溯源體系是維護(hù)國(guó)家工頻電壓量值溯源穩(wěn)定可靠、公平公正的基本保證，其技術(shù)水平對(duì)我國(guó)電力生產(chǎn)、電能計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算及科學(xué)研究均有著重要影響。為了適應(yīng)我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展和實(shí)際生產(chǎn)水平的要求，伴隨著國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心的成立，配置了新一代0～500 kV 工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置。該套裝置主標(biāo)準(zhǔn)器由6部分組成：?jiǎn)伪P(pán)感應(yīng)分壓器、多盤(pán)感應(yīng)分壓器、10 kV 雙級(jí)電壓互感器、110 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器。傳統(tǒng)溯源方式采用本級(jí)各標(biāo)準(zhǔn)器送檢至上級(jí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行量值溯源方式，其優(yōu)點(diǎn)為技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，缺點(diǎn)為對(duì)上級(jí)機(jī)構(gòu)依賴(lài)性強(qiáng)，上級(jí)機(jī)構(gòu)量值傳遞環(huán)節(jié)中的差錯(cuò)會(huì)傳遞給以下各級(jí)［1-3］。采用量值復(fù)現(xiàn)自校準(zhǔn)方法可有效解決上述問(wèn)題。自校準(zhǔn)即各標(biāo)準(zhǔn)器在本級(jí)機(jī)構(gòu)完成量值溯源，具體來(lái)講為單盤(pán)感應(yīng)由本校準(zhǔn)器完成溯源，多盤(pán)感應(yīng)分壓器由單盤(pán)感應(yīng)分壓器完成溯源，10 kV 雙級(jí)電壓互感器由單盤(pán)感應(yīng)分壓器和多盤(pán)感應(yīng)分壓器完成溯源，110 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器由10 kV 雙級(jí)電壓互感器和多盤(pán)感應(yīng)分壓器完成溯源，220 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器由110 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和多盤(pán)感應(yīng)分壓器完成溯源。文獻(xiàn)［4-8］已對(duì)前5 部分主標(biāo)準(zhǔn)器的溯源校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究和分析。

對(duì)該套裝置的最后一級(jí)主標(biāo)準(zhǔn)器500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的量值溯源方法進(jìn)行分析和研究。其主要由220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和多盤(pán)感應(yīng)分壓器完成溯源。由于220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓的最高試驗(yàn)電壓只能達(dá)到500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的40%左右，故500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的量值溯源方法為40%UN（UN為額定電壓）及以下采用直接比較法，40%UN以上采用串聯(lián)加法推算法。

1 直接比較法

文獻(xiàn)［5］和［8］已對(duì)多盤(pán)感應(yīng)分壓器和220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的誤差及不確定度進(jìn)行了分析和評(píng)定，相當(dāng)于500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的40%UN及以下的誤差值及不確定度均為已知，因此可采用以上述兩設(shè)備為主標(biāo)準(zhǔn)器、500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器為被檢設(shè)備方式進(jìn)行溯源。溯源線(xiàn)路如圖1 所示。試驗(yàn)變壓器、220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器三者一次側(cè)并聯(lián)，多盤(pán)感應(yīng)分壓器示值設(shè)定為0.440 000 0并級(jí)聯(lián)接入220 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次側(cè)，使主標(biāo)準(zhǔn)器的總體變比與500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器變比相同?；ジ衅餍ｒ?yàn)儀的供電回路由多盤(pán)分壓器二次側(cè)承擔(dān)，測(cè)差回路通過(guò)由多盤(pán)分壓器二次側(cè)與500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次側(cè)的電位差值實(shí)現(xiàn)。由于220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器升至100%UN時(shí)，500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器只達(dá)到44%UN，故直接比較法負(fù)責(zé)完成500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器40%UN以下的量值溯源。按照?qǐng)D1 溯源線(xiàn)路在10%UN、20%UN、30%UN、40%UN時(shí)，得到直接比較法測(cè)量的比值誤差和相位誤差如表1所示［9-11］。

圖1 溯源線(xiàn)路

表1 直接比較法測(cè)量比值差、相位差

2 串聯(lián)加法

由于互感器在40%UN～120%UN的誤差間隔（電壓系數(shù)）可通過(guò)串聯(lián)加法推算出，以不高于40%UN為基準(zhǔn)，可計(jì)算出40%UN～120%UN下的實(shí)際誤差值。串聯(lián)加法分為全電壓加法和半電壓加法兩種。

2.1 全電壓加法

全電壓加法線(xiàn)路如圖2 所示。以500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器為主標(biāo)準(zhǔn)器，串級(jí)式電壓互感器為被檢設(shè)備。串級(jí)式電壓互感器分為上級(jí)和下級(jí)兩部分，通過(guò)兩個(gè)等高壓電容器將上級(jí)和下級(jí)的電壓完全等分，故上級(jí)或下級(jí)的一次電壓正好為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的一半。500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次側(cè)與互感器校驗(yàn)儀的a-x 相連，完成供電回路。500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次側(cè)頭端同時(shí)與互感器校驗(yàn)儀k 端相連，串級(jí)式電壓互感器的上級(jí)頭端與互感器校驗(yàn)儀d 端相連，500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次側(cè)尾端與串級(jí)式電壓互感器的下級(jí)尾端相連，同時(shí)與地相連，完成測(cè)差回路［12-13］。

圖2 全電壓加法線(xiàn)路

2.2 半電壓加法

半電壓加法線(xiàn)路如圖3 所示。以500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器為主標(biāo)準(zhǔn)器，串級(jí)式電壓互感器的上級(jí)（或下級(jí)）為被檢設(shè)備。實(shí)際升壓時(shí)各試驗(yàn)點(diǎn)的額定電壓為全電壓加法線(xiàn)路的50%。

圖3 半電壓加法線(xiàn)路

2.3 電壓系數(shù)的計(jì)算

通過(guò)圖2 線(xiàn)路可得到40%UN以上的全電壓試驗(yàn)誤差值ε全。通過(guò)圖3 線(xiàn)路可得到20%UN以上半電壓試驗(yàn)誤差值，其中采用串級(jí)式電壓互感器的上級(jí)為被檢設(shè)備可得到ε上，采用串級(jí)式電壓互感器的下級(jí)為被檢設(shè)備可得到ε下［14-15］。電壓系數(shù)的計(jì)算為

按照?qǐng)D2 和圖3 的線(xiàn)路，得到ε全、ε上、ε下、Δ的比值誤差和相位誤差如表2和表3所示。

表2 比值誤差值

表3 相位誤差值

3 最終誤差值的計(jì)算

依據(jù)JJF 1067—2014《工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置》校準(zhǔn)規(guī)范［16］，40%UN以上測(cè)量點(diǎn)的最終誤差值按照直接比較法得到的實(shí)測(cè)值（或計(jì)算值）ε與對(duì)應(yīng)額定電壓的電壓系數(shù)Δ按照一定比例相加得到，500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器推薦算法為

式中：ε20，ε30，…，ε120分別為20%UN，30%UN，…，120%UN電壓下串聯(lián)加法線(xiàn)路誤差值；Δ40，Δ50，…，Δ120分別為40%UN，50%UN，…，120%UN下電壓系數(shù)值。

由表1—表3 計(jì)算得到電壓不小于40%UN時(shí)的比值誤差和相位誤差，如表4 所示。由表1 和表4 比較得到全部測(cè)量電壓下最終誤差值，其中在40%UN時(shí)由于存在直接比較法和推算法兩種計(jì)算方法，需將兩種誤差值取平均值，最終誤差值如表5 所示。500kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器準(zhǔn)確度等級(jí)為0.02 級(jí)，依據(jù)JJG 314—2010《測(cè)量用電壓互感器》檢定規(guī)程［17］，0.02級(jí)電壓互感器比值誤差不超過(guò)200×10-6，相位誤差不超過(guò)200×10-6rad。表5 中所有測(cè)量電壓下誤差值均滿(mǎn)足此項(xiàng)要求，500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器誤差合格。

表4 40%UN以上的比值誤差和相位誤差

表5 最終誤差值

4 不確定度評(píng)定

參照J(rèn)JF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》校準(zhǔn)規(guī)范［18］規(guī)定并結(jié)合本標(biāo)準(zhǔn)器溯源過(guò)程，500 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器不確定度評(píng)定可從測(cè)量重復(fù)性、多盤(pán)感應(yīng)分壓器引入、220 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器引入、誤差測(cè)量裝置引入4部分進(jìn)行評(píng)定。

4.1 測(cè)量重復(fù)性

測(cè)量重復(fù)性u(píng)1引入的不確定度為A 類(lèi)不確定度，其主要由外界電磁場(chǎng)變化、互感器接觸電阻變化等引起，因此需要進(jìn)行不少于6 次的獨(dú)立測(cè)量［19］。采用比較法線(xiàn)路，在100%UN條件下對(duì)該500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行6 次重復(fù)性測(cè)量（每次測(cè)量均重新接線(xiàn)），得到測(cè)量重復(fù)性比值誤差u1比=0.4×10-6，測(cè)量重復(fù)性相位誤差u1相=0.6×10-6rad。

4.2 多盤(pán)感應(yīng)分壓器引入

多盤(pán)感應(yīng)分壓器作為500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的溯源標(biāo)準(zhǔn)器之一，其本身的不確定度不能忽視，文獻(xiàn)［5］已對(duì)其評(píng)定過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明。給出比值誤差u2比=0.54×10-6，相位誤差u2相=0.54×10-6rad。

4.3 220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器引入

220 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器作為500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的另一臺(tái)溯源標(biāo)準(zhǔn)器，其本身的不確定度亦不能忽視，文獻(xiàn)［8］已對(duì)其評(píng)定過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明。給出比值誤差u3比=5.1×10-6，相位誤差u3相=5.2×10-6rad。

4.4 誤差測(cè)量裝置引入

誤差測(cè)量裝置主要包括互感器校驗(yàn)儀和其余配套裝置。其中配套裝置引入的不確定度主要由裝置內(nèi)部電磁場(chǎng)變化和接觸電阻變化等引起，該分量在測(cè)量重復(fù)性中已經(jīng)考慮過(guò)，故只用考慮互感器校驗(yàn)儀引入的分量u4。該分量按照公式u4=0.02×εmax/計(jì)算，其中εmax為直接比較法和串聯(lián)加法測(cè)量過(guò)程中誤差最大值。同時(shí)考慮比值誤差和相位誤差，經(jīng)計(jì)算比值誤差u4比=0.49×10-6，相位誤差u4相=0.67×10-6rad。

4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc由上述4 個(gè)分量合成得到，由于上述4 個(gè)分量彼此不存在關(guān)聯(lián)性，因此uc按照式（3）計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，比值誤差uc比=5.2×10-6，相位誤差uc相=5.3×10-6rad。

依據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，擴(kuò)展不確定度U由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以倍率因數(shù)k得到［18］，通常k取2，計(jì)算得到比值誤差U比=10.4×10-6，相位誤差U相=10.6×10-6rad。

5 不確定度比對(duì)驗(yàn)證

將本次100%UN測(cè)量結(jié)果與國(guó)家高電壓計(jì)量站試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)［20］，結(jié)果如表6 所示。采用傳遞比較法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)滿(mǎn)足

表6 驗(yàn)證比對(duì)結(jié)果

式中：U0為國(guó)家高電壓計(jì)量站試驗(yàn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，查詢(xún)得到比值誤差U0f=8×10-6，相位誤差U0δ=8×10-6rad。U為本次試驗(yàn)溯源結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，比值誤差Uf=10.4×10-6，相位誤差Uδ=10.6×10-6rad。經(jīng)計(jì)算：

比對(duì)結(jié)果表明500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的溯源不確定度結(jié)果符合要求。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的溯源方法進(jìn)行了研究分析，利用實(shí)驗(yàn)室已有220 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和多盤(pán)感應(yīng)分壓器為主標(biāo)準(zhǔn)器得到40%UN以下誤差值，通過(guò)串聯(lián)加法推算出40%UN以上的電壓系數(shù)并最終得到全量程誤差值。該方法采用本地化溯源方式有效避免了500 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器長(zhǎng)途運(yùn)輸造成標(biāo)準(zhǔn)器損壞的隱患。

已對(duì)500 kV 工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置全部6 套主標(biāo)準(zhǔn)器的自校準(zhǔn)溯源方法進(jìn)行了分析和研究，且實(shí)驗(yàn)室已取得500 kV工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書(shū)，能夠有效保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確可靠性。