王 晨，龐富寬，魏彤珈，韓 迪，李文文，汪 洋，崔文武

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引言

國(guó)家試驗(yàn)室嚴(yán)格按照國(guó)家檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范等開展檢定、校準(zhǔn)和檢測(cè)服務(wù)工作。為保證檢定/校準(zhǔn)/檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，以及本單位與外部權(quán)威機(jī)構(gòu)所出具數(shù)據(jù)結(jié)論的一致性，必須配備符合相應(yīng)檢定/校準(zhǔn)/檢測(cè)規(guī)范的設(shè)備，并將設(shè)備定期溯源至國(guó)家認(rèn)證機(jī)構(gòu)[1-2]。

依據(jù)GB/T 17215.322-2008《交流電測(cè)量設(shè)備》短時(shí)過電流試驗(yàn)技術(shù)要求，短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用在各個(gè)試驗(yàn)室，檢驗(yàn)電能表需具備承受瞬時(shí)過電流的能力及安全性能[3-4]。校準(zhǔn)短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備屬于試驗(yàn)室內(nèi)部校準(zhǔn)活動(dòng)，目前無可參考的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范明確規(guī)定其校準(zhǔn)周期。為保證設(shè)備連續(xù)、有計(jì)劃地按照校準(zhǔn)的時(shí)間間隔開展校準(zhǔn)工作，確認(rèn)校準(zhǔn)周期是試驗(yàn)室設(shè)備管理非常重要的內(nèi)容。如果校準(zhǔn)周期設(shè)定過短，設(shè)備不會(huì)出現(xiàn)超差，但是會(huì)增加校準(zhǔn)人員的工作量，影響其他工作的正常開展。相反，如果校準(zhǔn)周期設(shè)定過長(zhǎng)，設(shè)備容易出現(xiàn)器件燒壞等風(fēng)險(xiǎn)，影響電能表的檢測(cè)結(jié)論，甚至發(fā)生安全事故，損失慘重。因此，確定短時(shí)過電流設(shè)備的合理校準(zhǔn)周期是試驗(yàn)室管理的一項(xiàng)重要課題[5-7]。

通過參考JJF 1139-2005《計(jì)量器具檢定周期確定原則和方法》和CNAS-TRL-004：2017《測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)周期的確定和調(diào)整方法指南》，運(yùn)用具體算法，并且基于設(shè)備的工作原理、使用年限和頻次、試驗(yàn)室環(huán)境、校準(zhǔn)人員的專業(yè)能力及數(shù)量、歷次校準(zhǔn)結(jié)果等，合理確定短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)周期，從而高效管理試驗(yàn)室設(shè)備[8-9]。

1 短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備介紹

將短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備接入工作電源，預(yù)熱10 min后，根據(jù)升流器原理，調(diào)整自耦變壓器升壓整流，達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的電流值后，向電容器組充電；受觸發(fā)電路控制，向經(jīng)電流互感器接入式的電能表施加持續(xù)時(shí)間為0.5 s的20Imax(允許誤差為-10%～0)。試驗(yàn)結(jié)束后，確認(rèn)電能表功能和性能未降低、電能量信息和時(shí)間信息等未發(fā)生紊亂后，關(guān)閉設(shè)備電源。

2 短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)方法

按照經(jīng)電流互感器接入式電能表最大電流(1.2 A和6 A)的規(guī)格，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，使試驗(yàn)設(shè)備輸出24 A和120 A的電流波形，并通過電流探頭傳送至數(shù)字示波器，最終測(cè)得電流值和持續(xù)時(shí)間。校準(zhǔn)原理框圖如圖1所示[10]。

圖1 校準(zhǔn)原理框圖

根據(jù)校準(zhǔn)原理，校準(zhǔn)短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量函數(shù)式為：

(1)

ΔT=T1-T標(biāo)

(2)

式中：ΔI為電流的絕對(duì)誤差值;ΔT為電流持續(xù)時(shí)間的絕對(duì)誤差值，與試驗(yàn)設(shè)備的屬性相關(guān)；I1、T1為數(shù)字示波器截取試驗(yàn)設(shè)備輸出電流波形后，校準(zhǔn)人員讀取的電流值和持續(xù)時(shí)間值；KI為電流探頭變比值；I標(biāo)、T標(biāo)分別為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電流值24 A、120 A以及持續(xù)時(shí)間0.5 s。

校準(zhǔn)過程中存在系統(tǒng)效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)，校準(zhǔn)結(jié)果僅為估計(jì)值。測(cè)量不確定度直接關(guān)系到校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。依據(jù)JJF 1059.1-2012開展的測(cè)量不確定度評(píng)定主要受以下幾類因素影響，包括校準(zhǔn)人員的專業(yè)能力及數(shù)量、試驗(yàn)室的綜合環(huán)境、校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備的方法、試驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)確度、設(shè)備多次試驗(yàn)后的穩(wěn)定性、重復(fù)試驗(yàn)后試驗(yàn)設(shè)備的可靠程度等。試驗(yàn)室在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，即溫度為(23±2)℃、濕度為(60±15)%。校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備的方法、設(shè)備多次試驗(yàn)后的穩(wěn)定性、重復(fù)試驗(yàn)后試驗(yàn)設(shè)備的可靠程度等是評(píng)定試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)結(jié)果不確定度的主要因素[11]。

經(jīng)計(jì)算，取包含因子k=2，得出電流I絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度為：

(3)

式中：U(ΔI)為電流I絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度值；uC(ΔI)為電流I絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度值；uA(ΔI)為在同樣校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)人員不改變、試驗(yàn)設(shè)備不移動(dòng)位置等情況下，重復(fù)校準(zhǔn)用統(tǒng)計(jì)分析方法得出的電流標(biāo)準(zhǔn)不確定度值；uB(I1)為參考數(shù)字示波器校準(zhǔn)證書及輸出電流最大允許誤差值得出的電流標(biāo)準(zhǔn)不確定度值；uB(KI)為參考電流探頭校準(zhǔn)證書，得出變比誤差、準(zhǔn)確度的電流標(biāo)準(zhǔn)不確定度值。

同理，取包含因子k=2，持續(xù)時(shí)間T絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度為：

(4)

式中：U(ΔT)為T絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度值；uC(ΔT)為T絕對(duì)誤差對(duì)應(yīng)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度值；uA(ΔT)為在同樣校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)人員不改變、試驗(yàn)設(shè)備不移動(dòng)位置等情況下，重復(fù)校準(zhǔn)用統(tǒng)計(jì)分析方法得出的持續(xù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不確定度值；uB(T1)為參考數(shù)字示波器校準(zhǔn)證書及電流持續(xù)時(shí)間最大允許誤差值得出的持續(xù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不確定度值。

3 短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)周期確定方法

確定短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的合理校準(zhǔn)周期，需要考慮試驗(yàn)設(shè)備的使用年限及使用頻次、環(huán)境條件的影響、校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度、試驗(yàn)設(shè)備的最大允許誤差、試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)升級(jí)改造等因素。短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備固定放在某一個(gè)試驗(yàn)室，如無特殊要求，不會(huì)改變位置，使用頻次較低。然而，電流探頭和數(shù)字示波器使用較頻繁，校準(zhǔn)周期是1～2年，參考校準(zhǔn)證書的測(cè)量不確定度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，使用期間未損壞，質(zhì)量可靠。短時(shí)過電流試驗(yàn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)不發(fā)生改變。若短時(shí)電流試驗(yàn)規(guī)定的技術(shù)參數(shù)(如允許誤差限值)不發(fā)生改變，則試驗(yàn)設(shè)備也不需要調(diào)整或變化。在未形成正式文件前，綜合以上因素考慮，設(shè)定短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的初始校準(zhǔn)周期為2個(gè)月。

為減輕校準(zhǔn)人員工作量、提高工作效率，需要調(diào)整試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)周期。調(diào)整方法包括反應(yīng)調(diào)整法、期間核查法和最大似然估計(jì)法。

3.1 反應(yīng)調(diào)整法

反應(yīng)調(diào)整法包括簡(jiǎn)單反應(yīng)調(diào)整法和增量反應(yīng)調(diào)整法，是基于試驗(yàn)設(shè)備的歷次校準(zhǔn)結(jié)果調(diào)整其校準(zhǔn)周期。該方法簡(jiǎn)單并且方便應(yīng)用，試驗(yàn)室不再需要建立模型或預(yù)測(cè)未來的測(cè)量可靠性變化。增量反應(yīng)調(diào)整法與簡(jiǎn)單反應(yīng)調(diào)整法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于可改善周期調(diào)整過程中偏離其“正確值”的負(fù)面影響因素。因此，以增量反應(yīng)調(diào)整法確定試驗(yàn)設(shè)備的合理校準(zhǔn)周期的方法更適用。

3.2 期間核查法

期間核查法適用于試驗(yàn)室配備核查標(biāo)準(zhǔn)，并且核查標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級(jí)高于被核查設(shè)備的情況。試驗(yàn)室可通過期間核查結(jié)果，決定是否校準(zhǔn)被核查設(shè)備。試驗(yàn)室無準(zhǔn)確度等級(jí)高于短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的核查標(biāo)準(zhǔn)，因此該方法不適用于調(diào)整校準(zhǔn)周期。

3.3 最大似然估計(jì)法

最大似然估計(jì)法是采用似然函數(shù)的概率分布函數(shù)，評(píng)估被測(cè)試驗(yàn)設(shè)備超過最大允許誤差限值的情況。該方法需要建立數(shù)學(xué)模型并分析其大量數(shù)據(jù)，以確定被測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的檢定時(shí)間間隔。最大似然估計(jì)法的缺點(diǎn)是研究時(shí)間周期長(zhǎng)，不能盡快形成試驗(yàn)設(shè)備管理維護(hù)的正式文件，導(dǎo)致開展溯源工作極其不便。因此，本方法同樣不適用于調(diào)整校準(zhǔn)周期。

通過分析簡(jiǎn)單反應(yīng)調(diào)整法、增量反應(yīng)調(diào)整法、期間核查法、最大似然估計(jì)法，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)后，認(rèn)為采用增量反應(yīng)調(diào)整法調(diào)整校準(zhǔn)周期較為恰當(dāng)。

調(diào)整后的校準(zhǔn)周期Im+1與調(diào)整前的校準(zhǔn)周期Im的關(guān)系為：

Im+1=Im[1+Δm+1(-R)1-ym+1(R)ym+1]

(5)

所需調(diào)整的時(shí)間增量Δm+1與調(diào)整前的時(shí)間增量Δm的關(guān)系為：

(6)

式中：Im為第m次校準(zhǔn)時(shí)的校準(zhǔn)周期，m為校準(zhǔn)周期的調(diào)整序號(hào)；Δm為第m次校準(zhǔn)周期調(diào)整的時(shí)間增(減)量；R為測(cè)量可靠性目標(biāo)，由各個(gè)試驗(yàn)室自行設(shè)定，試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量可靠性目標(biāo)R≥90%；ym為計(jì)算因子，第m次校準(zhǔn)結(jié)果滿足要求時(shí)ym=1，第m次校準(zhǔn)結(jié)果不滿足要求時(shí)ym=0。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)定短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的初始校準(zhǔn)周期I0為2個(gè)月，R為90%，其歷次校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。表1中：K為擴(kuò)展不確定度。

表1 校準(zhǔn)結(jié)果

由表1可知，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。使用增量反應(yīng)調(diào)整法，根據(jù)式(5)、式(6)可得：

T1=T0[1+Δ1(-R)1-y1(R)y1] ≈4(月)

T2=T1[1+Δ2(-R)1-y2(R)y2] ≈8(月)

T3=T2[1+Δ3(-R)1-y3(R)y3] ≈16(月)

T4=T3[1+Δ4(-R)1-y4(R)y4] ≈31(月)

對(duì)短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備開展4次校準(zhǔn)工作，確認(rèn)4次校準(zhǔn)結(jié)果均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行期間穩(wěn)定無損壞。第4次校準(zhǔn)工作結(jié)束后，確認(rèn)校準(zhǔn)時(shí)間間隔為31個(gè)月。依據(jù)CNAS-TRL-004：2017《測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)周期的確定和調(diào)整方法指南》，明確規(guī)定試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)周期不宜超過3年。針對(duì)校準(zhǔn)周期較長(zhǎng)的試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)室應(yīng)通過有效的技術(shù)手段(例如：期間核查)確認(rèn)試驗(yàn)設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)要求。短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備在使用期間未發(fā)生過大修、更換等問題，校準(zhǔn)時(shí)間間隔逐漸增長(zhǎng)；但是隨著試驗(yàn)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，容易發(fā)生超差、器件老化、燒毀等問題，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果不符合規(guī)范要求，故不建議設(shè)定較長(zhǎng)的校準(zhǔn)周期。為保證試驗(yàn)設(shè)備在使用過程中各項(xiàng)性能指標(biāo)準(zhǔn)確、可靠，除定期溯源外，如不增加校準(zhǔn)人員的工作，不使用期間核查等其他技術(shù)核查試驗(yàn)設(shè)備，建議將校準(zhǔn)周期確定為2年。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于校準(zhǔn)短時(shí)過電流試驗(yàn)設(shè)備的方法、試驗(yàn)設(shè)備多次試驗(yàn)后的穩(wěn)定性、重復(fù)試驗(yàn)后試驗(yàn)設(shè)備的可靠程度及歷次校準(zhǔn)結(jié)果，通過運(yùn)用增量反應(yīng)調(diào)整法，明確試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)周期，保證溯源的持續(xù)高效進(jìn)行。在確定校準(zhǔn)周期過程中，如試驗(yàn)設(shè)備未發(fā)生大修、更換等，校準(zhǔn)人員按照校準(zhǔn)周期溯源試驗(yàn)設(shè)備，工作效率與之前相比較顯著提高;反之，試驗(yàn)室應(yīng)重新確定校準(zhǔn)周期或加強(qiáng)期間核查等其他技術(shù)手段，確保試驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。