沈明炎 肖娜丽 张煌辉 董小龙 / 福建省计量科学研究院
工频高压试验装置作为电力设备检测及预防性试验所必备的试验设备，在工业生产中十分重要。随着我国高压试验技术、新材料和新工艺技术应用以及电力工业设备的不断更新换代，对试验等级和试验频次的要求也越来越高。为了能够更为高效便携地适用于现场工作及在频繁移动的工作条件下使用，在充分利用重量更轻、绝缘性能和灭弧性能更优良的六氟化硫气体的基础上，结合新工艺，使装置整体技术性能有很大的提升，且充气式轻型试验变压器取代了传统油浸式试验变压器作为工频高压试验装置的组成部件[1]。虽然由充气式轻型试验变压器构成的工频高压试验装置具备较好的安全性和稳定性，但是，由于工频高压试验装置需要带离实验室至现场作业，试验装置存在搬运、组装、现场接线以及频繁移动的工作情况，可能导致试验装置的高压输出产生偏差[2]，从而影响试验的可靠性，因此，在现场试验前，对试验装置进行量值准确性核验是必要的。
工频高压试验装置是进行工频耐压试验的主要设备，用于考核和衡量电气设备、元器件和绝缘材料等产品的绝缘性能、局部缺陷和承压能力。工频高压试验装置通常由试验变压器和控制箱两部分组成[3]，其结构原理图如图1所示。工频高压试验装置是利用升压变换原理将控制箱输入的工频低电压变换为工频高电压输出，工频电源电压输入控制箱内置调压器，调压器的二次侧与试验变压器的控制回路相连接，通过调节输出大小来控制高电压的输出，测量单元则接入试验变压器的测量回路，再经过变比换算将输出高电压值通过显示单元显示[4-5]。
图1 工频高压试验装置结构原理
工频高压试验装置的输出电压示值准确性通常采用直接比较测量法进行核验，其中核验标准是由标准分压器和数字多用表构成的标准分压器测量系统[6]，核验原理图如图2所示。核验时，首先将工频高压试验装置按要求连接放置，再将标准分压器的高压端与工频高压试验装置高压输出端连接，标准分压器的低压测量端连接至数字多用表，然后接通工频高压试验装置的控制箱电源，调零后通过调压回路设置试验电压并输出。在相同电压的条件下，采集数字多用表的实测电压示值，与标准分压器的标称分压比相乘，得到实测高压示值。同时采集工频高压试验装置测量回路得到的高压示值，两者直接比较得到装置的输出电压示值偏差。
图2 直接比较测量法核验原理
在实际应用的过程中，当工频高压试验电压等级较小时，用于测量的标准分压器相对体积和质量较小，利用直接比较测量法更为便利准确。但是，当工频高压试验电压等级较大时，用于测量的标准分压器体积和质量大得多，并且对空间和布局的要求也更多，此时便会大大增加现场试验的工作量和复杂性[7]。因此，为了提高工频高压试验现场作业的可靠性、安全性和便利性，以较小的投入和较高的效率完成现场高压试验作业，需要研究更为高效便捷的替代方法来实现试验装置电压准确性的核验。
受限于现场作业条件，标准分压器测量系统较难实现现场配置，鉴于高压试验装置的测量原理以及实际的现场工作经验，可根据工频高压试验装置变比固定的结构原理，即UH=kUL（UH为试验变压器一次侧高电压，UL为试验变压器二次侧低电压，k为试验变压器变压比），将高电压测量转换为低电压测量，利用变比测试仪配合数字多用表方式替代直接测量，达到现场核验的目的。
相较而言，单相变比测试仪和数字多用表更易获得，更适合各种外出现场作业，并且单相变比测试仪是利用电压比电桥法来进行测量，变比测试仪的分压比测量准确度优于0.5%，数字多用表的交流电压测量准确度优于0.05%，而常用工频高压试验装置的测量准确度要求不大于1%或3%，可满足现场核验的技术要求。
替代测量法利用变压器特性，以分压替代的方式进行量值测量，利用被测装置的分压比替代标准分压器的分压比，实现测量转换，其核验原理图如图3所示。在进行电压示值核验时，首先要确定试验变压器的变压比偏差值，其中利用单相变比测试仪实测试验变压器分压比，测试接线图如图3（a）所示；
其次，电压示值测量如图3（b）所示，在试验变压器测量端并联数字多用表，控制箱设置试验高压输出，记录数字多用表实测电压示值，再同实测变压器分压比相乘，得到实际高压示值，与控制箱显示高压示值进行比较，即可得到工频高压试验装置的高压输出偏差。
图3 替代测量法核验原理
为了确保现场核验的准确可靠，可在外出现场作业前，在高压实验室内对工频高压试验装置进行一次准确性验证，利用标准分压器测量系统对典型试验电压和常用试验点进行测量，并记录试验装置各试验点的高压输出示值及与其对应的二次电压值，绘制成数据图表，当试验装置带至现场试验时，可用于二次验证。
4.1 方法比对试验
为了研究分析替代测量法的计量性能和测量偏差，设计比对试验分别采用直接比较测量法(简称直测法，用D来表示)和替代测量法(简称替代法，用A来表示)对同一台工频高压试验装置进行测量，并对测量结果进行数据分析。首先选取计量性能稳定额定输出电压为100 kV的工频高压试验装置（MPE：±3%）作为被测样品，并选取数字多用表（测量电压MPE：±0.05%）、变比测试仪（分压比MPE：±0.5%）、标准分压器（分压比MPE：±0.5%）作为测量标准。由于选取的测量标准的准确度相同，并且多次测量两套标准器之间的偏差小于标准器最大允许误差的1/5，可认为两套标准器的测量准确度一致。其次，按照被测装置电压量程的10%、20%、50%、80%、100%分别进行测量，每个电压点测量两次，取平均值，测量结果如表1所示。
表1 测量结果
4.2 测量结果的不确定度评定
4.2.1 测量模型
工频高压试验装置的电压示值误差测量模型可用式（1）表示：
式中：Δγ—— 工频高压试验装置的相对误差；
F——标准分压器的标称分压比或变比测试仪的实测分压比；
UL——数字多用表的实测电压值；
UH——被测装置的输出电压值
4.2.2 标准不确定度计算
1）标准器引入的相对标准不确定度u1rel
各标准器的准确度为数字多用表（测量电压的MPE：±0.05%）、变比测试仪（分压比MPE：±0.5%）、标准分压器（分压比MPE：±0.5%），在其区间内可以认为测量是均匀分布，包含因子，按B类方法进行评定，标准器的相对标准不确定度的各分量计算如下：
数字多用表的标准不确定度：
变比测试仪的标准不确定度：
标准分压器的标准不确定度：
则标准器引入的相对标准不确定度u1rel如下：
2）电压示值重复性引入的相对标准不确定度u2rel
标准测量系统和被校测量系统选取满量程的20%、50%、80%和100%作为测量电压点进行测量，其测量结果如表2、表3所示。
表2 50 kV电压下的测量结果
表3 各电压水平下测量结果
根据表2和表3的测量结果，由标准偏差最大值分别为0.513和0.468来计算，电压示值重复性引入的相对标准不确定度分量其概率分布为正态分布，按A类方法进行评定：
3）电压示值线性度引入的相对标准不确定度u3rel
线性度试验采用与近似线性的电压量值比对的方法进行测量。根据表3的测量结果，各电压点实测电压误差值与平均值的最大差值分别为-0.216和-0.404，线性度引入的相对标准不确定度分量其概率分布为均匀分布，按B类方法进行评定：
4）短时稳定性引入的相对标准不确定度分量u4rel
短时稳定性是利用短距离移动测试样品位置，并在0.5 h内完成移动前后的两次同量测量的方法进行测量。根据表4的测量数据，短时稳定性引入的相对标准不确定度分量其概率分布为均匀分布，按B类方法进行评定：
表4 短时稳定性测量结果
5）频率变化引入的相对标准不确定度u5rel
频率变化是根据不同频率的电压输出来测量被测样品的动态平衡能力，根据表5的测量数据，频率变化引入的相对标准不确定度分量其概率分布为均匀分布，按B类方法进行评定：
表5 频率变化测量结果
根据上述工频高压试验装置的电压示值各相对标准不确定度分量的分析评定，可汇总为表6的不确定度分量表。
表6 相对标准不确定度分量
4.2.3 相对合成标准不确定度的计算
由于GMC定义中含有条件均值及条件方差，在实际应用中计算起来不太方便。在已有文献中，例如Fan 和Yao(1998)提到了计算条件方差的方法。本文将采用非参数核密度方法来估计GMC。
根据表6的不确定度分量表，其合成相对标准不确定度为
4.2.4 相对扩展不确定度的确定
取包含因子k= 2，则相对扩展不确定度为
4.3 数据分析与总结
利用归一化方法对比对结果进行评价，其计算式如式（2）所示。当 |En| ＜ 1时，替代法进行测量的结果与直测法进行测量的结果一致性较好，较好地反映出了替代法的测量准确性；
|En| ＞ 1时，替代法进行测量的结果与直测法测量的结果偏差较大，不能替代使用[8]。
式中：x——替代法的测量结果；
X——直测法的测量结果；
Urel(D)——直测法的测量结果的相对扩展不确定度
由表1的试验结果可知，在被测设定值为80 kV时，两种方法测量结果偏差最大，其误差偏差值为0.32%，仅约为被测装置准确度的1/10。根据归一化分析可得到|En| = 0.30 ＜ 1，可认为测量结果无差异。通过试验数据分析，可得到标准器的准确性是导致测量结果偏差的主要因素。当标准器准确性一致时，利用两种方法进行测量得出的测量结果能够保持一致。
通过对工频高压试验装置工作原理和结构的理论分析，对直接比较测量和分压替代测量两种方法进行了比较，并设计比对试验对两种方法进行实测验证以及测量不确定度评定，最后利用归一化分析方法对试验结果的数据分析和总结，可以得到在基于可靠的理论分析基础上提出的分压替代测量法，能够与直接比较测量法的测量结果保持一致，可以满足量值测量的准确性要求，并且更为适用于工频高压试验装置带离固定试验场所到作业现场的量值核验，不仅保证了工频高压试验现场作业的准确性、可靠性和安全性，同时也在操作性和成本方面更具经济效益。
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