高压开关动作特性测试仪计量标准装置测量不确定度分析

徐子立 王 昊 齐 聪 张 军 朱 凯

(1.中国电力科学研究院计量研究所，武汉430074；2．中国计量科学研究院，北京100013)

0 引言

高压开关作为电力系统中重要的控制设备，其机械性能的可靠程度对高压开关的正常工作起到十分重要的作用。高压开关动作特性(机械特性)测试仪常用作检测设备评估高压开关的机械特性[1-2]，其测量参数主要包括分/合闸时间等时间量、分/合闸速度等速度量和开距/超程等行程量。由于其工作原理和测量接口特殊，在目前的电力系统预防性试验中，大多只对其时间标准量开展校准/检定工作[3-5]。

针对高压开关测试仪整体溯源工作中的困难，中国计量科学研究院研制了一套高压开关动作特性测试仪计量标准装置(以下简称标准装置)。该标准装置针对测试仪工作原理设计，采用直线电机模拟高压开关的分合闸动作，能够对高压开关测试仪的时间量、速度量、行程量进行整体校准/检定工作[6]。

由于标准装置的结构复杂，时间标准量主要由模拟电路完成，速度标准量和行程标准量通过直线电机提供，三者之间还需要通过同步触发信号等配合工作，且速度标准量中的分/合闸速度、行程标准量中的开距/超程与分/合闸点的选择有直接的关系，研究其测量结果的不确定度十分重要。本文根据高压开关动作特性测试仪计量标准装置的工作原理，按JJF 1059—1999《测量不确定度评定与表示》[7]和《高电压测试设备通用技术条件第3部分：高压开关综合测试仪》[8]中高压开关动作特性相关定义，研究了标准装置时间标准量、速度标准量、行程标准量测量不确定度来源和评定方法。

1 标准装置的工作原理及技术参数

1.1 工作原理

标准装置的工作原理如图1所示：

图1 标准装置原理框图

标准装置由上位机和下位机结构组成，上位机软件用来设定所需的时间标准量、速度标准量和行程标准量，并对下位机测量的数据进行计算处理。下位机由时间标准模块和行程及速度标准模块组成。

操作人员完成参数设置并启动开始按钮后，标准装置等待同步触发信号，接收到同步触发信号后，时间标准模块和行程及速度标准模块同时按照设定参数进行工作。时间标准模块启动定时计数器，定时时间为设定的时间标准量，定时时间到时控制断口电平信号变化，生成标准时间信号t，模拟高压开关的分闸时间、合闸时间等时间参量；行程及速度标准模块启动直线电机按照设定行程和速度参数运行，电机运行时安装在电机导轨上的光栅尺会产生正交脉冲，标准装置采集并储存此脉冲信号获得电机运行的行程-时间曲线，再对行程-时间曲线进行微分计算获得速度-时间曲线，并根据高压开关相关行程和速度参数的定义计算得到开距、超程等行程标准量s和刚分速度、刚合速度等速度标准量v。

被检高压开关动作特性测试仪时间测量端口通过检测输出端口的电平信号的变化测量标准装置产生的标准时间量。行程测量端口在位移传感器的两端施加电压，测量直线电机运动前后触头电压差，通过传感器的长度参数，可计算得到行程量。测试仪根据测量时间量和行程量，可计算得到速度量。通过标准装置的标准量和测试仪测量值即可计算获得测试仪的误差，实现对测试仪的校准检定工作。

1.2 技术参数

标准时间输出范围：10～1000ms；分辨力：0.01ms；最大允许误差：±0.05ms

标准行程输出范围：10～600mm；最大允许误差：±(0.1%设定值+0.06mm)

标准速度输出范围：0.2～8.0m/s；最大允许误差：±(1%读数+0.01m/s)

2 时间标准量不确定度分析

根据时间标准模块的原理，不确定度主要来源于三个方面：即FPGA定时晶振频率不确定度、定时器启动延时不确定度和同步信号检测延时不确定度。选择999ms处为例进行不确定度分析。

2.1 FPGA定时晶振频率不确定度

FPGA技术文档上定时晶振频率最大允许误差为±3.0×10-5，均匀分布，在999ms处标准不确定度为：

2.2 定时器启动延时不确定度

定时器启动延时为时间标准模块接收到同步触发信号后到定时器启动之间的延时，与标准时间设定的值没有关系，经过实际测量为平均值为5.0×10-4ms，均匀分布，在999ms处标准不确定度为：

2.3 同步信号检测延时不确定度

同步信号检测延时为时间标准模块检测同步信号所需要的延时，标准装置支持电压同步、电流同步和控接点同步三种触发方式。通过实际测量采用电压同步时延时平均值为5.0×10-3ms，采用电流同步时延时平均值为2.0×10-3ms，采用空接点同步时延时平均值为5.0×10-4ms，均匀分布，在999ms处标准不确定度为：

2.4 时间标准量不确定度A类分量

时间标准量不确定度的A类分量测量采用EE3386通用计数器，该计数器共有两路信号输入端，单路时间测量的准确度为1×10-8s，校准时使用通道A检测触发信号，通道B对时间标准量进行测量，测量结果如表1所示：

表1 时间标准量不确定度A类分量

2.5 不确定度合成

根据测试和分析的结果，时间标准量测量不确定度的合成如表2所示：

表2 时间标准量不确定度合成

由于时间标准量最大允许误差使用绝对量，则只用在时间标准模块量程上限处进行分析即可确定是否满足设计要求。

结论：当包含因子k=3时，时间标准量的扩展不确定度U=5.1×10-2ms，与时间标准模块误差限额5.0×10-2ms相当，时间标准模块约有99%概率满足设计要求。

3 行程标准量不确定度分析

根据行程标准模块的原理，不确定度主要来源于两个方面：即光栅尺误差引入不确定度和行程采样分辨力引入不确定度。选择行程600mm处为例进行不确定度分析。

3.1 光栅尺不确定度

电机技术文档上光栅尺最大允许误差为±3.5×10-4，均匀分布，在600mm处标准不确定度为：

3.2 行程采样分辨力引入不确定度

电机技术文档上行程采样分辨力为光栅尺一个栅格长度1.2×10-2mm，与电机运动行程无关，均匀分布，电机需通过整个栅格才会产生一个脉冲信号，在600mm处标准不确定度为：

3.3 行程标准量不确定度A类分量

行程标准量不确定度的A类分量测量采用雷尼绍激光干涉仪，该干涉仪每米测量的最大允许误差为±5×10-7m，测量结果如表3所示：

表3 行程标准量不确定度A类分量

3.4 不确定度合成

根据测试和分析的结果，行程标准量测量不确定度的合成如表4所示：

为了研究行程标准量在整个量程内的不确定度，按本章所述方法得到20mm处扩展不确定度U=1.8×10-2mm(k=3)，300mm处扩展不确定度U=1.8×10-1mm(k=3)。

表4 行程标准量不确定度合成

结论：当包含因子k=3时，行程标准量在20mm处的扩展不确定度U=1.8×10-2mm，小于行程标准模块20mm误差限额8.0×10-2mm，行程标准量在300mm处的扩展不确定度U=1.8×10-1mm，小于行程标准模块300mm误差限额3.6×10-1mm，行程标准量在600mm处的扩展不确定度U=3.6×10-1mm，小于行程标准模块600mm误差限额6.6×10-1mm，行程标准模块超过99%概率满足设计要求。

4 速度标准量不确定度分析

根据速度标准模块的原理，不确定度主要来源于三个方面：即光栅尺不确定度、行程采样分辨力和FPGA定时晶振频率不确定度。选择速度5.0m/s处为例进行不确定度分析。

4.1 光栅尺不确定度

电机技术文档上光栅尺最大允许误差为±3.5×10-4，均匀分布，分(合)闸速度的定义为分合闸前(后)10mm的平均速度，则标准不确定度为：

4.2 行程采样分辨力引入不确定度

电机技术文档上行程采样分辨力为光栅尺一个栅格长度1.2×10-2mm，均匀分布，电机需通过整个栅格才会产生一个脉冲信号，分(合)闸速度的定义为分合闸前(后)10mm的平均速度，标准不确定度为：

4.3 FPGA定时晶振频率不确定度

FPGA技术文档上定时晶振频率最大允许误差±3.0×10-5，均匀分布，标准不确定度为：

4.4 速度标准量不确定度A类分量

速度标准量不确定度的A类分量测量采用MUJ-6D速度标准装置，该速度标准装置的准确度为0.5%，测量结果如表5所示：

表5 速度标准量不确定度A类分量

4.5 不确定度合成

根据测试和分析的结果，速度标准量测量不确定度的合成如表6所示：

表6 行程标准量不确定度合成

为了研究速度标准在整个量程内的不确定度，按本章所述方法得到0.2m/s处扩展不确定度Urel=1.4×10-3(k=3)，8.0m/s处扩展不确定度Urel=3.8×10-3(k=3)。

结论：当包含因子k=3时，速度标准量在0.2m/s处、5.0m/s和8.0m/s处的扩展不确定度U均小于速度标准模块误差限额(1%读数+0.01m/s)，速度标准模块超过99%概率满足设计要求。

5 结语

本文根据高压开关动作特性标准装置的工作原理，对其时间标准量、行程标准量、速度标准量进行了不确定度分析，研究了其不确定度分量来源及评定方法。通过扩展不确定度的计算，本标准装置时间、行程和速度标准量有超过99%的概率满足设计要求。

[1] 雷浩，赵忠，金基平，等．基于ARM和FPGA的高压开关机械特性测试系统[J]．仪表技术与传感器，2009(3)

[2] 武建文，白洪超，张丹丹，等．适用于新标准的断路器机械特性测试装置[J]．高压电器，2006，42(4)

[3] 贾祺．高压开关动特性测试仪合、分闸时间测量准确度校准方法探讨[J]．计量技术，2008(1)

[4] 张志滨．高压开关特性测试仪时间参数的校准方法[J]．计量技术，2007(1)

[5] 李瑾，李俊峰，沈宏．高压开关机械特性测试仪时间参数的校准[J]．企业标准化，2006(6)

[6] 刘皓宇，刘晓明，杜文艳．高压开关分合闸速度测试系统[J]．高电压技术，2007，33(5)

[7] JJF 1059—1999《测量不确定度评定与表示》[S]

[8] DL/T 846.3—2004《高电压测试设备通用技术条件第3部分：高压开关综合测试仪》[S]