楊 磊，王百朋，強(qiáng)玉華

(1.麗水市氣象局，浙江麗水 323000；2.陜西省防雷中心，西安 710014)

楊磊，王百朋，強(qiáng)玉華.防雷安全測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定[J].陜西氣象，2017(5)：34-37.

1006-4354(2017)05-0034-04

2017-01-16

楊磊(1982—)，男，漢族，湖北十堰人，碩士，工程師，從事防雷檢測(cè)、技術(shù)評(píng)價(jià)、質(zhì)量管理等工作。

麗水市高層次人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目“基于區(qū)域氣候模式的麗水生態(tài)氣候變化預(yù)測(cè)”(2014RC24)

防雷安全測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

楊 磊1，王百朋2，強(qiáng)玉華1

(1.麗水市氣象局，浙江麗水 323000；2.陜西省防雷中心，西安 710014)

為了提升和規(guī)范防雷檢測(cè)，確保檢測(cè)報(bào)告的公正、準(zhǔn)確，有必要對(duì)防雷接地電阻測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。接地電阻的測(cè)量不確定度主要來自設(shè)備的精準(zhǔn)度、分辨力和測(cè)量重復(fù)性，同時(shí)加長(zhǎng)線線阻的測(cè)量、土壤電阻率的測(cè)量也是不確定度的主要來源。選用適合防雷行業(yè)的測(cè)量不確定度評(píng)定模型,結(jié)合實(shí)例分析了防雷接地電阻的A類評(píng)定、B類評(píng)定、合成不確定度和擴(kuò)展不確定度，結(jié)合評(píng)定結(jié)果說明了檢測(cè)不確定度評(píng)定的重要性和必要性。

防雷測(cè)量；不確定度；評(píng)定

防雷安全檢測(cè)是根據(jù)建筑物、設(shè)施的防雷設(shè)計(jì)要求，對(duì)防雷裝置進(jìn)行的檢查、測(cè)量、信息綜合分析處理的過程。測(cè)量的數(shù)據(jù)主要包括接地電阻值、土壤電阻率等。防雷接地電阻值作為重要的測(cè)量數(shù)據(jù)，檢測(cè)報(bào)告中通常僅給出測(cè)量值，并沒有考慮測(cè)量結(jié)果的不確定度。如果防雷接地電阻的測(cè)量值處于國(guó)標(biāo)判定值附近，那么測(cè)量值的不確定度將對(duì)檢測(cè)結(jié)論是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)生重要影響。因此,有必要對(duì)防雷接地電阻測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，計(jì)算不確定度并在檢測(cè)報(bào)告中給出，確保報(bào)告的科學(xué)、規(guī)范、準(zhǔn)確。

1 測(cè)量不確定度評(píng)定方法

1.1 不確定度來源

可依據(jù)JJG366—2004《接地電阻表檢定規(guī)程》和JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中規(guī)定的方法對(duì)接地電阻儀進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)接地電阻值進(jìn)行不確定度分析。采用工頻接地電阻測(cè)量?jī)x，通過三級(jí)法[1]測(cè)量工頻接地電阻值。接地電阻測(cè)量結(jié)果的不確定度來源[2-3]主要有如下幾個(gè)方面。(1)測(cè)量人員未按作業(yè)規(guī)程布置輔助樁位，在下雨或凍土天氣、有地電位干擾、地下有金屬物的干擾環(huán)境下測(cè)量；(2)測(cè)量?jī)x器自身的分辨率、精確度、穩(wěn)定性等計(jì)量特性；(3)被測(cè)量樣品選取不當(dāng)，如表面有防銹漆或有銹蝕，沒有清除表變覆蓋物可能造成較大的測(cè)量誤差；(4)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和換算時(shí)引入的不確定度，如需要減掉測(cè)量加長(zhǎng)線線阻時(shí)，線阻的測(cè)量引入的誤差，或需要將工頻接地電阻換算為沖擊接地電阻時(shí)引入的誤差。在確定適合的測(cè)量環(huán)境、良好人員素質(zhì)和測(cè)量方法、流程，固定的測(cè)量樣品等測(cè)量條件下，影響接地電阻測(cè)量不確定度的主要來源為三個(gè)方面:儀器自身的不確定度、修正加長(zhǎng)線線阻引入的不確定度、工頻換算為沖擊電阻引入的不確定度。

1.2 測(cè)量數(shù)學(xué)模型

接地電阻測(cè)量的真實(shí)值用被測(cè)量Y表示，Y的估計(jì)值為y,y的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y)取決于各測(cè)量輸入量x1，x2，…… ,xn的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(x1)，u(x2)，……，u(xn)。不確定度關(guān)系式[4-5]為

(1)

接地電阻R與測(cè)試電壓V和測(cè)試電流I的測(cè)量函數(shù)可表示為：R=f(V,I)，即R=V/I，三者對(duì)應(yīng)的不確定度分別表示為uR、uV、uI，根據(jù)公式(1)求偏導(dǎo)數(shù)，接地電阻R的不確定度uR計(jì)算公式為

(2)

如有其他新增引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量，用u(zi)表示，那么測(cè)量不確定度uR改寫為

(3)

1.3 不確定度評(píng)定

接地電阻R的不確定度取決于uV和uI，應(yīng)首先對(duì)uV和uI進(jìn)行評(píng)定，如有其他新引入的不確定分量，也應(yīng)一并進(jìn)行分析。評(píng)定V和I的標(biāo)準(zhǔn)不確定度方法又可分為A類和B類。

1.3.1 A類不確定度評(píng)定 測(cè)量值x的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源是測(cè)量重復(fù)性。在對(duì)同一被測(cè)量重復(fù)測(cè)量n次，其中某次測(cè)量值xi的標(biāo)準(zhǔn)偏差S(x)可由貝塞爾公式[6]給出

(4)

對(duì)于m組測(cè)量數(shù)據(jù)，如果每組測(cè)量次數(shù)相同，均為n次，進(jìn)行m組測(cè)量的合并標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算式為

(5)

(6)

按公式(4)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其自由度[6]為v=n-1，按式(5)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其自由度v=m(n-1)。

(7)

區(qū)間半寬度a可由儀器說明書、儀器的校準(zhǔn)或鑒定證書等信息中獲取，置信因子t值可查表[7]得出。在進(jìn)行B類評(píng)定時(shí)，自由度[9]可近似表示為

(8)

1.3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uC由影響不確定度的各個(gè)分量組成，ui為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的各分量，當(dāng)由A類和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度組成時(shí)[10]，則

(9)

1.3.4 擴(kuò)展不確定度 擴(kuò)展不確定度是被測(cè)量可能值所包含區(qū)間的半寬度，如果要求擴(kuò)展不確定度所確定的區(qū)間具有接近于規(guī)定的包含概率P時(shí)，擴(kuò)展不確定度表示為UP，當(dāng)P為95%或99%時(shí)，可表示為U95和U99。

UP=kPuC

(10)

在計(jì)算UP時(shí)候，應(yīng)給出有效的自由度veff，veff可按下式計(jì)算[11-12]

(11)

kP是概率為某一值時(shí)的包含因子。已知自由度veff和概率，可通過查表[11-12]得出kP。

2 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

測(cè)量接地電阻時(shí)，選擇同一建筑物的接閃器、引下線、地網(wǎng)接地預(yù)留點(diǎn)作為樣品測(cè)點(diǎn)。在確定電壓探測(cè)極和電流探測(cè)極的位置后不再調(diào)整探極位置，采用同一條加長(zhǎng)線作為測(cè)試連接線，分別對(duì)三組樣品各自進(jìn)行3次測(cè)量，記錄測(cè)量的電壓值和電阻值并計(jì)算電流值。利用接地測(cè)試儀測(cè)量加長(zhǎng)線的線阻3次。利用土壤電阻率測(cè)試儀測(cè)量所處位置的土壤電阻率，根據(jù)公式ρ=2πRE計(jì)算沖擊接地電阻RE值。

2.1A類和B類不確定度評(píng)定

將測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式(4)分別計(jì)算接閃器、引下線、接地網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差s(x)，并利用公式(5)計(jì)算各參數(shù)的合并標(biāo)準(zhǔn)偏差sP(x)。通過標(biāo)準(zhǔn)偏差和合并標(biāo)準(zhǔn)偏差由公式6計(jì)算A類不確定度uA，并計(jì)算自由度。具體結(jié)果見表1。

表1 各參數(shù)對(duì)應(yīng)的A類不確定度

對(duì)于B類不確定度評(píng)定，一方面是由儀器的最大允許誤差給出，通過公式(7)可計(jì)算儀器自身引入的B類不確定度uB1。另一方面，由儀器可讀性引入的不確定度，與儀器分辨力有關(guān)，通過公式(7)可得出儀器可讀性引可入的B類不確定度uB2。B類評(píng)定的自由度由公式(8)給出。各參數(shù)對(duì)應(yīng)的B類評(píng)定見表2。

2.2 合成不確定度評(píng)定

合成不確定度可按以下兩種方法計(jì)算得出：一是將A類和B類評(píng)定的數(shù)據(jù)代入公式(9)計(jì)算合成不確定度uR1，二是將測(cè)量的電壓值和根據(jù)計(jì)算得出的電流值代入公式3計(jì)算合成不確定度uR2。對(duì)應(yīng)的自由度veff1和veff2根據(jù)公式(11)算出。

實(shí)際檢測(cè)中，利用加長(zhǎng)線來測(cè)量接地電阻，也會(huì)通過測(cè)量土壤電阻率進(jìn)行沖擊接地電阻的換算。為了進(jìn)行比較，分別計(jì)算僅由電阻值引入的合成不確定度；考慮電阻值和線阻引入的合成不確定度；考慮電阻值、線阻及電阻率綜合引入的合成不確定度，具體見表3。

2.3 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

通過計(jì)算接地電阻值的擴(kuò)展不確定度，可以反映接地電阻值所分布的區(qū)間，以及電阻值數(shù)據(jù)的不確定大小。根據(jù)表3中計(jì)算的自由度veff，取置信概率P為95%，通過查表可得到包含因子kP，由公式(10)可計(jì)算考慮電阻值、線阻、電阻率在不同組合情況下的擴(kuò)展不確定度(表4)。

表2 各參數(shù)對(duì)應(yīng)的B類不確定度

表3 合成不確定度評(píng)定

表4 擴(kuò)展不確定度評(píng)定表

2.4 測(cè)量不確定度報(bào)告

若根據(jù)儀器示值給出的接地電阻進(jìn)行不確定度評(píng)定，在考慮電阻、線阻、電阻率綜合引入的不確定度時(shí)，擴(kuò)展不確定度UR1=0.31，那么R1=(4.62-0.75)/E±0.31 Ω，包含因子kP1=2.04，自由度veff1=28.1。若基礎(chǔ)地網(wǎng)換算系數(shù)E=1，不考慮測(cè)量電阻率引入的不確定度，電阻值為R1=3.87±0.26 Ω。若要求R1≤4 Ω，那么該測(cè)量對(duì)象的電阻值是存在不符合要求的風(fēng)險(xiǎn)。如果按照R=V/I導(dǎo)出測(cè)量不確定度函數(shù)來評(píng)定不確定度，在考慮電阻、線阻、電阻率綜合引入的不確定度時(shí)，擴(kuò)展不確定度UR2=0.30，那么R2=(4.62-0.75)/E±0.30 Ω，包含因子kP2=1.96，自由度veff2為∞。若基礎(chǔ)地網(wǎng)換算系數(shù)E=1，不考慮測(cè)量電阻率引入的不確定度，電阻值為R2=3.87±0.25 Ω。若要求R2≤4 Ω，同樣存在不符合要求的風(fēng)險(xiǎn)。因此，檢測(cè)不確定評(píng)定十分必要和重要。

任何測(cè)量數(shù)據(jù)都存在誤差和不確定性，真實(shí)數(shù)據(jù)無法確定。但是可以通過測(cè)量的不確定度評(píng)定，來反映測(cè)量數(shù)據(jù)分布的區(qū)間。在出具防雷裝置檢測(cè)報(bào)告時(shí)，可將表1～表4中的數(shù)據(jù)以附表的形式在檢測(cè)報(bào)告中給出。通過測(cè)量結(jié)果的不確定數(shù)據(jù)可以直觀的反映接地電阻的分布區(qū)間，測(cè)量結(jié)果就令人信服。

3 結(jié)論

(1)防雷接地電阻的檢測(cè)不確定度主要來自設(shè)備的最大允許誤差引入的不確定度、設(shè)備的分辨力引入的可讀性不確定度、儀器的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度。使用加長(zhǎng)線時(shí)，需考慮測(cè)量加長(zhǎng)線線阻引入的不確定度；如進(jìn)行沖擊電阻換算時(shí)，需考慮測(cè)量土壤電阻率引入的不確定度。

(2)通過測(cè)量的不確定度評(píng)定，來反映測(cè)量數(shù)

據(jù)分布的區(qū)間。對(duì)防雷接地電阻進(jìn)行不確定度評(píng)定十分必要和重要。

(3)在檢測(cè)報(bào)告編制程序中，應(yīng)該建立不確定度程序，并對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定，將不確定數(shù)據(jù)在檢測(cè)報(bào)告中給出。特別是測(cè)量結(jié)果接近標(biāo)準(zhǔn)判定值附近時(shí)，給出不確定度既能體現(xiàn)檢測(cè)的科學(xué)水準(zhǔn)，又能有效的降低和規(guī)避實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不確定度帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

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