錢勇,崔海林,張慶霞,韓利,拓守桓

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院,寧夏 銀川 750011;2.寧夏電力投資集團有限公司, 寧夏 銀川 750001;3.寧夏回族自治區(qū)核與輻射安全中心, 寧夏 銀川 750002)

0 引 言

變電站和輸電線路電磁環(huán)境是電力設施環(huán)境因子重要監(jiān)測之一,測量不確定度是定量說明測量結(jié)果質(zhì)量的重要參數(shù)。真值是理想值,因此測量誤差是不可知量。在實際測量中,測量結(jié)果的準確性和可靠性會受到人員、機器、原料、方法、環(huán)境等因素的影響,評估這些影響因素的影響量就是測量不確定度評定。由于測量不確定度的存在,測量結(jié)果不可能是單一的數(shù)值,只能給出測得量值在一定置信概率下的置信區(qū)間。文獻[1]給出交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測方法。文獻[2]給出交流輸變電工程電磁環(huán)境控制限值。文獻[3-5]給出電磁輻射分析儀中工頻電場、工頻磁場的校準方法及其測量不確定度評定。文獻[6]給出我國最新修訂的測量不確定度評定與表示方法標準。關于電磁環(huán)境測量不確定度評定的文獻較少。文獻[7-8]給出工頻電磁輻射的測量不確定度評定方法,然而針對測量不確定度B類評定方法論述不夠全面。

針對交流輸變電工程電磁環(huán)境測量不確定評定的問題,給出電磁環(huán)境測量方法,分析不確定度來源。依據(jù)文獻[3-6]的技術規(guī)范,建立電磁環(huán)境測量不確定度的評定模型,完善補充電磁不確定度的B類評定模型,結(jié)合實際算例,給出完整測量不確定度評定的計算過程。

1 測量方法與測量儀器

1.1 測量方法

依據(jù)文獻[1]中規(guī)定,在變電站或輸電線路正常運行工況、無雨霧雪天氣及環(huán)境濕度低于80%進行測量,儀器探頭架設在地面上方1.5 m高度處,工頻電場測量時,人員與儀器探頭的距離為2.5 m以上。

1.2 測量儀器

交流輸變電工程電磁環(huán)境屬于工頻電磁場范疇,市面常用的有NBM550/EHP50F型電磁輻射分析儀和SEM-600/LF-01D型電磁輻射分析儀,滿足文獻[1]對測量儀器的要求。表1和表2分別為兩種型號的電磁輻射分析儀說明書提供不確定度典型參數(shù)。

表1 NBM550/EHP50F型電磁輻射分析儀說明書提供不確定度典型參數(shù)

表2 SEM-600/LF-01D型電磁輻射分析儀說明書提供不確定度典型參數(shù)

儀器校準證書、出廠說明書常用術語計算公式[3-4]總結(jié)如下,以工頻電場為例(工頻磁場的計算公式同工頻電場)。

1)頻率響應平坦度。

(1)

式中:δE1為頻率響應平坦度,dB;E0為參考頻率點的場強示值,一般選取50 Hz頻率點,V/m;Emax為頻率范圍內(nèi)最大的場強示值,V/m;Emin為頻率范圍內(nèi)最小的場強示值,V/m。

2)頻率線性度。

(2)

式中:δE2為頻率線性度,dB;ΔEmax為在規(guī)定條件下,儀器校準曲線與擬合直線間的最大偏差,V/m;E為滿量程輸出數(shù)值,V/m。

3)各向異性。

(3)

式中:δE3為各向異性,dB;Smax和Smin分別為3個軸向中的最大示值和最小示值,V/m。

2 電磁環(huán)境測量不確定度的評定模型

2.1 測量不確定度的A類評定模型

A類評定方法是對在規(guī)定測量條件下測得的量值用統(tǒng)計分析的方法進行的測量不確定度分量的評定,最常用的方法為貝塞爾公式[6]。測量不確定度的A類評定模型計算方法如下:

單個測得值xk的實驗標準差s(xk),按公式(4)計算。

(4)

(5)

n次測量必須在重復測量條件下進行,相同的測量程序,相同的測量人或團隊,在相同條件下使用相同的測量設備,相同的地點,短時間內(nèi)重復測量。從理論上說,測量次數(shù)越多,得出的實驗標準偏差越可靠,但當測量次數(shù)越多,重復性條件就越難以保證,測量所用的時間也就越長。文獻[9]中規(guī)定在進行計量標準的重復性測量中,要求測量次數(shù)不小于10次。

2.2 測量不確定度的B類評定模型

(6)

式中:a為電磁環(huán)境測量可能值區(qū)間的半寬度;根據(jù)概率論獲得的k稱置信因子,當k為擴展不確定度的倍乘因子時稱包含因子。

B類評定分為以下情況:

(7)

2)電磁輻射分析儀校準證書、檢定證書或出廠說明書給出了其擴展不確定度為U和包含因子k,則區(qū)間的半寬度為a=U。電磁環(huán)境測量不確定度的B類評定模型uB.ERA2按公式(8)計算。

(8)

若證書給出擴展不確定度的單位為V/m或1 μT,可直接按照公式(8)計算。

若證書給出擴展不確定度的單位為dB,按照下面方法計算。

方法一,單位直接換算。

(9)

式中:U為證書給出的不確定度,單位為dB,uB.ERA21單位為V/m或者μT。

方法二,百分比換算。

(10)

式中:T為證書給出的儀表示值,U為證書給出的不確定度,單位為dB,uB.ERA22單位為V/m或者μT。

表3 NBM550/EHP50F型電磁輻射分析儀典型分辨力

(11)

2.3 合成測量不確定度的評定模型

交流輸變電工程電磁環(huán)境可直接測量,且測量不確定度的各分量ui相互間不相關,則合成測量不確定度uc按公式(12)計算。

(12)

2.4 擴展不確定度的評定模型

擴展測量不確定度Uc由合成測量不確定度uc和乘包含因子k得到,按公式(13)計算。

Uc=kuc

(13)

測量結(jié)果可用公式(14)表示:

(14)

在通常的測量中,一般取k=2。當取其他值時,應說明其來源。當給出擴展不確定度U時,一般應注明所取的k值;若未注明k值,則指k=2。

3 工頻電場強度測量不確定度的評定

3.1 工頻電場強度測量不確定度的A類評定

對寧夏某750 kV同塔雙回輸電線路開展工頻電場強度、磁感應強度測量,選擇檔距中央連線對地投影點,距離地面1.5 m高度,進行5次同一設備、同一位置工頻電場強度、磁感應強度測量。每次測量完畢,關閉電源,其目的在于使每次測量結(jié)果彼此獨立。檢測環(huán)境、線路工況見表4、表5。工頻電場強度測量結(jié)果見表6。

表4 檢測環(huán)境

表5 線路工況

表6 工頻電場強度測量結(jié)果

10次工頻電場強度測量的平均值為

(15)

10次工頻電場強度測量的標準偏差為

(16)

測定結(jié)果重復性的不確定度分量為

(17)

3.2 工頻電場強度測量不確定度的B類評定

不同電磁輻射分析儀生產(chǎn)廠家和檢驗檢測實驗室給出不同的出廠說明書和校準證書,為解決遇到的多種B類測量不確定度問題,分以下兩種情況評定。

3.2.1 校準證書提供一種不確定度

1)經(jīng)中國電力科學研究院有限公司校準,校準結(jié)果的擴展不確定度U取51 V/m,包含因子k取2,則測量不確定度如下:

(18)

(2)出廠說明書給出儀器頻響誤差、線性誤差、各向同性分別為0.4、0.3、0.4 dB,按均勻分布計算,則測量不確定度如下:

(19)

(20)

(21)

根據(jù)換算公式,計算如下:

(22)

(23)

(24)

(25)

同時,如表2所示,已給出儀器擴展不確定度U為0.7 dB,也可按照公式(8)計算。

(26)

根據(jù)換算公式,計算如下:

(27)

B類測量不確定度計算為

(28)

3.2.2 校準證書提供多種不確定度

1)儀器頻率響應平坦度引入的不確定度。

經(jīng)中國測試技術研究院校準,頻率在50 Hz設定條件下,校準結(jié)果的擴展不確定度U取0.56 dB,包含因子k取2,則測量不確定度為

(29)

2)頻率線性度引入的不確定度。

經(jīng)中國測試技術研究院校準,校準結(jié)果的擴展不確定度U取0.56 dB,包含因子k取2,則測量不確定度為

(30)

3)各向異性引入的不確定度。

經(jīng)中國測試技術研究院校準,校準結(jié)果的擴展不確定度U取0.19 dB,包含因子k取2,則測量不確定度如下:

(31)

B類測量不確定度計算為

(32)

3.3 工頻電場強度擴展不確定度計算及結(jié)果

3.3.1 校準證書提供一種不確定度

合成測量不確定度的計算為

(33)

得uc=26.28(V/m),包含因子k取2(近似95%置信概率),擴展不確定度的計算為

Uc=26.28×2=52.56(V/m)

(34)

工頻電場結(jié)果為

(35)

3.3.2 校準證書提供多種不確定度

合成測量不確定度的計算為

(36)

得uc=6.59 V/m,包含因子k取2(近似95%置信概率),擴展不確定度的計算為

Uc=6.59×2=13.18(V/m)

(37)

工頻電場強度結(jié)果為

(38)

4 工頻磁感應強度測量不確定度的評定

4.1 工頻磁感應強度測量不確定度的A類評定

測量方法見3.1。工頻磁感應強度測量結(jié)果見表7。

表7 工頻磁感應強度測量結(jié)果

10次工頻磁感應強度測量的平均值為

(39)

10次工頻磁感應強度測量的標準偏差為

(40)

測定結(jié)果重復性的不確定度分量為

(41)

4.2 工頻磁感應強度測量不確定度的B類評定

4.2.1 校準證書提供一種不確定度

經(jīng)中國電力科學研究院有限公司校準,校準結(jié)果的擴展不確定度U取0.031 μT,包含因子k取2,則測量不確定度如下。

uB=0.031/2=0.015 5(μT)

(42)

4.2.2 校準證書提供多種不確定度

經(jīng)中國測試技術研究院校準,給出擴展不確定度,見表8。

表8 校準證書提供的不確定度 單位:μT

選擇最接近于平均值(8.264 μT)的標準值(10.6 μT)對應的不確定度為0.2 μT,則測量不確定度如下:

(43)

4.3 工頻磁感應強度擴展不確定度計算及結(jié)果

4.3.1 校準證書提供一種不確定度

合成測量不確定度的計算為

0.016 7(μT)

(44)

得uc=0.016 7(μT),包含因子k取2(近似95%置信概率),擴展不確定度的計算為

Uc=0.016 7×2=0.033 4(μT)

(45)

工頻磁感應強度結(jié)果為

(46)

4.3.2 校準證書提供多種不確定度

合成測量不確定度的計算為

0.100(μT)

(47)

得uc=0.100(μT),包含因子k取2(近似95%置信概率),擴展不確定度的計算為

Uc=0.100×2=0.200 μT

(48)

工頻磁感應強度結(jié)果為

(49)

5 結(jié) 語

針對交流輸變電工程電磁環(huán)境測量不確定度評定的問題,首先,給出電磁環(huán)境測量方法;其次,建立電磁環(huán)境測量不確定度的評定模型;最后,結(jié)合實際算例,給出完整測量不確定度評定計算過程。本文討論的方法可推廣至通信基站、雷達等電磁環(huán)境測量不確定度的評定。