劉 靜，翟少磊， 魏 齡 ，陳文華，計(jì)光榮 ，馬敏軍

(1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

0 引言

絕緣油是應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)。絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀是用于測(cè)量絕緣油擊穿電壓數(shù)值的自動(dòng)化設(shè)備。通過測(cè)量擊穿電壓可以在施加高壓的情況下，對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度以及外界環(huán)境因素、油中各成分對(duì)絕緣性能的影響進(jìn)行研究[1-2]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，大多采用單片機(jī)對(duì)絕緣油耐壓測(cè)試過程進(jìn)行控制[3-4]。在此過程中，由于外界存在強(qiáng)電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)，測(cè)試過程中容易出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)現(xiàn)象，影響測(cè)試工作的正常進(jìn)行。除此以外，文獻(xiàn)[5]對(duì)電極電容量大小進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，由于被測(cè)電極的電容量極小，基本在幾pF，EMI將會(huì)對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)的計(jì)量特性產(chǎn)生很大的影響。鑒于此，絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性問題。

由于標(biāo)準(zhǔn)的缺失，現(xiàn)有的絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀之間存在差異性，且由于其電氣結(jié)構(gòu)、絕緣材料的特殊性，以及相關(guān)校準(zhǔn)設(shè)備的缺乏和理論方法還未完善[4-5]，目前無法對(duì)這類儀器進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)，絕緣油的物理特性也處于研究過程中[6-8]，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法說明較少[9-11]。因此，本文對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用高壓分合終端模擬開關(guān)閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產(chǎn)生油擊穿過程，并針對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)的電磁干擾問題提出抗干擾方案，最后對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

1 絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)方式存在的問題，江鈞等在指定的高電壓點(diǎn)構(gòu)造真實(shí)的擊穿環(huán)境，設(shè)計(jì)一種主動(dòng)擊穿的變壓器絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試裝置校驗(yàn)系統(tǒng)[12]。該方式通過模擬絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀的真實(shí)工作狀況，使測(cè)試結(jié)果更加客觀。但高壓控制回路中的負(fù)載模擬單元需要大量的實(shí)際測(cè)試，以便對(duì)真實(shí)的工況進(jìn)行模擬。國外的科研機(jī)構(gòu)基本采用替代法對(duì)油耐壓儀進(jìn)行測(cè)量，在校準(zhǔn)時(shí)采用替代油杯的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。但該方式由于電極間距、油杯尺寸、電極連接方式等方面存在差異，因此僅適用于Megger自身的儀器，且準(zhǔn)確度不高，只滿足10級(jí)以下的油耐壓儀的校準(zhǔn)要求[13]。文獻(xiàn)[14]將校準(zhǔn)裝置放入油杯中，利用CPU 采集和處理電容分壓器分壓后的低壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過整流、模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換、放大修正后得到實(shí)際電壓值。這種校準(zhǔn)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于不必取下油杯，但由于光纜傳輸和絕緣材料的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致校準(zhǔn)裝置的長期穩(wěn)定性較差。

目前，國內(nèi)針對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀的校準(zhǔn)主要采用基于穩(wěn)態(tài)電壓測(cè)量的方式。按照所接分壓器的數(shù)量可以大致分為單端測(cè)量法和雙路測(cè)量法，但二者在對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀兩個(gè)電極的高壓輸出值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用代數(shù)和的方式會(huì)對(duì)校驗(yàn)過程引入了附加誤差。文獻(xiàn)[15]利用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理后得到包含諧波信息的電壓有效值?？紤]到擊穿放電干擾及波形畸變對(duì)測(cè)量的影響，本文采用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號(hào)，并利用高壓分合終端模擬絕緣油擊穿和電氣隔離減少干擾。

校驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，采用直接比較法測(cè)量被校絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀輸出電壓的示值誤差，將其電壓輸出端分別接校準(zhǔn)裝置的輸入端，在啟動(dòng)儀器使電壓勻速上升至穩(wěn)定后，讀取校準(zhǔn)裝置上的實(shí)際電壓值。在絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀升壓過程中，標(biāo)準(zhǔn)裝置能實(shí)時(shí)對(duì)被試儀器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣和分析，并能在被檢儀器電壓升至預(yù)置檢定點(diǎn)值時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)出“主動(dòng)擊穿”命令，通過等效于開關(guān)閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產(chǎn)生油擊穿過程，從而構(gòu)造出被試儀器的擊穿判據(jù)。先在主機(jī)上設(shè)置校驗(yàn)點(diǎn)和校驗(yàn)個(gè)數(shù)，然后設(shè)置絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀并開始測(cè)量。當(dāng)上位機(jī)顯示采樣數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)置檢定點(diǎn)時(shí)，發(fā)出“主動(dòng)擊穿”命令，高壓分合終端中油杯的兩端連接高壓開關(guān)的高壓輸出端，高壓分合終端通過將輸入的高壓信號(hào)瞬間短接，使放置在分合終端內(nèi)的油杯間隙放電以模擬絕緣油擊穿，從而實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)擊穿”。在發(fā)生擊穿放電的過程中，采樣終端以及主機(jī)由于受到?jīng)_擊以及擊穿放電產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，因此采用光電耦合器將高壓部分與低壓電路進(jìn)行電氣隔離，利用屏蔽電纜進(jìn)行通信和控制聯(lián)絡(luò)。上位機(jī)與分合終端之間保持一定的物理距離，減少對(duì)采集終端的電磁干擾。為了避免采樣終端由于干擾造成死機(jī)，加入看門狗芯片DS1232作為抗干擾的最后防線。

圖1 校驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the calibration system

2 計(jì)量特性分析

理論測(cè)量電壓與實(shí)際電壓的矢量圖如圖2所示。

圖2 理論測(cè)量電壓與實(shí)際電壓的矢量圖Fig.2 Vector diagram of theoretical measured voltage and actual voltage

目前，國內(nèi)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀一般采用兩臺(tái)高壓變壓器的結(jié)構(gòu)。理想情況下，輸入端的顯示電壓與高壓側(cè)電壓成一定比例。但由于兩臺(tái)變壓器T1和T2各產(chǎn)生一個(gè)相位差為180°的電壓[4]，假設(shè)T1和T2電壓產(chǎn)生的相位差不等于180°，那么就會(huì)給測(cè)量結(jié)果引入誤差。一般采用不確定度評(píng)定的方式,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

計(jì)量校準(zhǔn)平臺(tái)不確定度的評(píng)定一直以來都是計(jì)量學(xué)中的傳統(tǒng)問題。校準(zhǔn)平臺(tái)涉及的環(huán)節(jié)和參數(shù)較多，并且每個(gè)環(huán)節(jié)之間相互影響都可能成為不確定度來源。因此，采取整體原則對(duì)計(jì)量校準(zhǔn)平臺(tái)的不確定度進(jìn)行評(píng)定，以平臺(tái)的不確定度或主要參數(shù)的不確定度為主。在校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量減少測(cè)量環(huán)境所帶來的不確定因素對(duì)校準(zhǔn)所帶來的影響。

根據(jù)測(cè)量不確定度表示指南，將不確定度評(píng)定方法分為A類和B類。對(duì)系統(tǒng)不確定度評(píng)定依賴于理論依據(jù)、評(píng)定方法、可靠數(shù)據(jù)，需要綜合考慮各種因素。近年來，隨著現(xiàn)代不確定度理論的深入研究和非統(tǒng)計(jì)方法的引入，不斷完善了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)理論所存在的局限性[16-17]。

3 絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電壓表測(cè)量電壓為UN，被校絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀輸出電壓為UX。其中，靈敏系數(shù)c=1，則被校絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀輸電壓的示值誤差Δ為：

Δ=UX-UN

(1)

絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of calibration system of dielectric strength tester of insulating oil

文獻(xiàn)[4]對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行了分析，但由于絕緣油中存在各種雜質(zhì)的非均勻運(yùn)動(dòng)(包括油中雜質(zhì)的布朗運(yùn)動(dòng))等因素的影響，擊穿電壓的測(cè)試結(jié)果具有分散性。文獻(xiàn)[18]針對(duì)絕緣油中的雜質(zhì)對(duì)絕緣油的介電性能進(jìn)行了分析。研究表明，雜質(zhì)嚴(yán)重影響其介電性能，并且對(duì)植物絕緣油和礦物絕緣油的影響存在差異。因此，為了保證測(cè)試結(jié)果的精確度和可信度，絕緣油樣品測(cè)試前靜止放置一段時(shí)間，進(jìn)行10次10 kV示值誤差測(cè)量試驗(yàn)，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果[4]。校準(zhǔn)系統(tǒng)各分量不確定度如表1所示。

表1 校準(zhǔn)系統(tǒng)各分量不確定度表Tab.1 Uncertainty table of each component of the calibration system

①測(cè)量結(jié)果分散性引入的不確定度分量按A類方法評(píng)定，獨(dú)立測(cè)量10次10 kV點(diǎn)的電壓值，計(jì)算其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

(2)

取其平均值作為測(cè)試結(jié)果，則試品測(cè)量結(jié)果分散性引入的不確定度分量為:

(3)

(4)

(5)

測(cè)量擊穿電壓的結(jié)果是在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下受外界(溫度、環(huán)境電磁場的干擾等)以及儀表(儀表分辨率、連接點(diǎn)接觸電阻變化等)的綜合因素影響下的結(jié)果[1-2,4]。對(duì)于同一個(gè)裝置而言，分辨率引入的不確定分量是一個(gè)相對(duì)固定值。在進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)，測(cè)量結(jié)果分散性所引入的不確定度分量與由被測(cè)儀器的分辨力所引入的不確定分量之間存在重復(fù)，取兩者中較大的值[19]。

對(duì)10 kV點(diǎn)示值誤差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算得到擴(kuò)展不確定度為0.58%，能夠滿足2級(jí)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀的校準(zhǔn)要求。但與檢定不同，校準(zhǔn)過程容易受到各種環(huán)境因素影響(包括溫差、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理引入的誤差等)。因此，應(yīng)綜合考慮各方面因素對(duì)量值傳遞的影響。但由于絕緣材料的特殊性，其特性量值會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，因此，在對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)其穩(wěn)定性不確定度進(jìn)行評(píng)估，即：考慮其長期穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度和短期穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4 結(jié)論

針對(duì)絕緣油介電強(qiáng)度測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定性，根據(jù)測(cè)量不確定度表示指南對(duì)系統(tǒng)不確定度進(jìn)行評(píng)定，現(xiàn)有的系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系主要采用基于統(tǒng)計(jì)理論的方法。雖然該方法具有普適性，但針對(duì)具體的設(shè)備，應(yīng)該考慮其特殊性，例如電氣結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)等。評(píng)定測(cè)量系統(tǒng)的不確定度時(shí)應(yīng)充分考慮測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性以及穩(wěn)定性。但由于沒有確定的數(shù)學(xué)模型，因此將依靠存儲(chǔ)在主機(jī)的數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)分析法和方差分析法等一系列方法進(jìn)一步分析不穩(wěn)定性引入的不確定度。