刘 罡，秦悦维，姜春阳

（1.国网辽宁省电力有限公司营销服务中心，辽宁 沈阳 110006；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

500 kV 工频电压比例标准装置及其溯源体系是维护国家工频电压量值溯源稳定可靠、公平公正的基本保证，其技术水平对我国电力生产、电能计量、贸易结算及科学研究均有着重要影响。为了适应我国电网建设的快速发展和实际生产水平的要求，伴随着国网辽宁省电力有限公司营销服务中心的成立，配置了新一代0～500 kV 工频电压比例标准装置。该套装置主标准器由6部分组成：单盘感应分压器、多盘感应分压器、10 kV 双级电压互感器、110 kV标准电压互感器、220 kV标准电压互感器、500 kV标准电压互感器。传统溯源方式采用本级各标准器送检至上级机构进行量值溯源方式，其优点为技术简单成熟，缺点为对上级机构依赖性强，上级机构量值传递环节中的差错会传递给以下各级［1-3］。采用量值复现自校准方法可有效解决上述问题。自校准即各标准器在本级机构完成量值溯源，具体来讲为单盘感应由本校准器完成溯源，多盘感应分压器由单盘感应分压器完成溯源，10 kV 双级电压互感器由单盘感应分压器和多盘感应分压器完成溯源，110 kV标准电压互感器由10 kV 双级电压互感器和多盘感应分压器完成溯源，220 kV 标准电压互感器由110 kV 标准电压互感器和多盘感应分压器完成溯源。文献［4-8］已对前5 部分主标准器的溯源校准方法进行了研究和分析。

对该套装置的最后一级主标准器500 kV标准电压互感器的量值溯源方法进行分析和研究。其主要由220 kV标准电压互感器和多盘感应分压器完成溯源。由于220 kV标准电压的最高试验电压只能达到500 kV 标准电压互感器的40%左右，故500 kV 标准电压互感器的量值溯源方法为40%UN（UN为额定电压）及以下采用直接比较法，40%UN以上采用串联加法推算法。

1 直接比较法

文献［5］和［8］已对多盘感应分压器和220 kV标准电压互感器的误差及不确定度进行了分析和评定，相当于500 kV 标准电压互感器的40%UN及以下的误差值及不确定度均为已知，因此可采用以上述两设备为主标准器、500 kV 标准电压互感器为被检设备方式进行溯源。溯源线路如图1 所示。试验变压器、220 kV标准电压互感器、500 kV标准电压互感器三者一次侧并联，多盘感应分压器示值设定为0.440 000 0并级联接入220 kV 标准电压互感器二次侧，使主标准器的总体变比与500 kV 标准电压互感器变比相同。互感器校验仪的供电回路由多盘分压器二次侧承担，测差回路通过由多盘分压器二次侧与500 kV 标准电压互感器二次侧的电位差值实现。由于220 kV标准电压互感器升至100%UN时，500 kV标准电压互感器只达到44%UN，故直接比较法负责完成500 kV 标准电压互感器40%UN以下的量值溯源。按照图1 溯源线路在10%UN、20%UN、30%UN、40%UN时，得到直接比较法测量的比值误差和相位误差如表1所示［9-11］。

图1 溯源线路

表1 直接比较法测量比值差、相位差

2 串联加法

由于互感器在40%UN～120%UN的误差间隔（电压系数）可通过串联加法推算出，以不高于40%UN为基准，可计算出40%UN～120%UN下的实际误差值。串联加法分为全电压加法和半电压加法两种。

2.1 全电压加法

全电压加法线路如图2 所示。以500 kV 标准电压互感器为主标准器，串级式电压互感器为被检设备。串级式电压互感器分为上级和下级两部分，通过两个等高压电容器将上级和下级的电压完全等分，故上级或下级的一次电压正好为标准电压互感器的一半。500 kV 标准电压互感器的二次侧与互感器校验仪的a-x 相连，完成供电回路。500 kV 标准电压互感器的二次侧头端同时与互感器校验仪k 端相连，串级式电压互感器的上级头端与互感器校验仪d 端相连，500 kV 标准电压互感器的二次侧尾端与串级式电压互感器的下级尾端相连，同时与地相连，完成测差回路［12-13］。

图2 全电压加法线路

2.2 半电压加法

半电压加法线路如图3 所示。以500 kV 标准电压互感器为主标准器，串级式电压互感器的上级（或下级）为被检设备。实际升压时各试验点的额定电压为全电压加法线路的50%。

图3 半电压加法线路

2.3 电压系数的计算

通过图2 线路可得到40%UN以上的全电压试验误差值ε全。通过图3 线路可得到20%UN以上半电压试验误差值，其中采用串级式电压互感器的上级为被检设备可得到ε上，采用串级式电压互感器的下级为被检设备可得到ε下［14-15］。电压系数的计算为

按照图2 和图3 的线路，得到ε全、ε上、ε下、Δ的比值误差和相位误差如表2和表3所示。

表2 比值误差值

表3 相位误差值

3 最终误差值的计算

依据JJF 1067—2014《工频电压比例标准装置》校准规范［16］，40%UN以上测量点的最终误差值按照直接比较法得到的实测值（或计算值）ε与对应额定电压的电压系数Δ按照一定比例相加得到，500 kV标准电压互感器推荐算法为

式中：ε20，ε30，…，ε120分别为20%UN，30%UN，…，120%UN电压下串联加法线路误差值；Δ40，Δ50，…，Δ120分别为40%UN，50%UN，…，120%UN下电压系数值。

由表1—表3 计算得到电压不小于40%UN时的比值误差和相位误差，如表4 所示。由表1 和表4 比较得到全部测量电压下最终误差值，其中在40%UN时由于存在直接比较法和推算法两种计算方法，需将两种误差值取平均值，最终误差值如表5 所示。500kV 标准电压互感器准确度等级为0.02 级，依据JJG 314—2010《测量用电压互感器》检定规程［17］，0.02级电压互感器比值误差不超过200×10-6，相位误差不超过200×10-6rad。表5 中所有测量电压下误差值均满足此项要求，500 kV 标准电压互感器误差合格。

表4 40%UN以上的比值误差和相位误差

表5 最终误差值

4 不确定度评定

参照JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》校准规范［18］规定并结合本标准器溯源过程，500 kV 标准电压互感器不确定度评定可从测量重复性、多盘感应分压器引入、220 kV 标准电压互感器引入、误差测量装置引入4部分进行评定。

4.1 测量重复性

测量重复性u1引入的不确定度为A 类不确定度，其主要由外界电磁场变化、互感器接触电阻变化等引起，因此需要进行不少于6 次的独立测量［19］。采用比较法线路，在100%UN条件下对该500 kV标准电压互感器进行6 次重复性测量（每次测量均重新接线），得到测量重复性比值误差u1比=0.4×10-6，测量重复性相位误差u1相=0.6×10-6rad。

4.2 多盘感应分压器引入

多盘感应分压器作为500 kV标准电压互感器的溯源标准器之一，其本身的不确定度不能忽视，文献［5］已对其评定过程详细说明。给出比值误差u2比=0.54×10-6，相位误差u2相=0.54×10-6rad。

4.3 220 kV标准电压互感器引入

220 kV标准电压互感器作为500 kV标准电压互感器的另一台溯源标准器，其本身的不确定度亦不能忽视，文献［8］已对其评定过程详细说明。给出比值误差u3比=5.1×10-6，相位误差u3相=5.2×10-6rad。

4.4 误差测量装置引入

误差测量装置主要包括互感器校验仪和其余配套装置。其中配套装置引入的不确定度主要由装置内部电磁场变化和接触电阻变化等引起，该分量在测量重复性中已经考虑过，故只用考虑互感器校验仪引入的分量u4。该分量按照公式u4=0.02×εmax/计算，其中εmax为直接比较法和串联加法测量过程中误差最大值。同时考虑比值误差和相位误差，经计算比值误差u4比=0.49×10-6，相位误差u4相=0.67×10-6rad。

4.5 合成标准不确定度和扩展不确定度的计算

合成标准不确定度uc由上述4 个分量合成得到，由于上述4 个分量彼此不存在关联性，因此uc按照式（3）计算。

经计算，比值误差uc比=5.2×10-6，相位误差uc相=5.3×10-6rad。

依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》校准规范规定，扩展不确定度U由合成标准不确定度乘以倍率因数k得到［18］，通常k取2，计算得到比值误差U比=10.4×10-6，相位误差U相=10.6×10-6rad。

5 不确定度比对验证

将本次100%UN测量结果与国家高电压计量站试验结果进行验证比对［20］，结果如表6 所示。采用传递比较法对结果进行分析，应满足

表6 验证比对结果

式中：U0为国家高电压计量站试验结果的扩展不确定度，查询得到比值误差U0f=8×10-6，相位误差U0δ=8×10-6rad。U为本次试验溯源结果的扩展不确定度，比值误差Uf=10.4×10-6，相位误差Uδ=10.6×10-6rad。经计算：

比对结果表明500 kV标准电压互感器的溯源不确定度结果符合要求。

6 结语

对500 kV标准电压互感器的溯源方法进行了研究分析，利用实验室已有220 kV 标准电压互感器和多盘感应分压器为主标准器得到40%UN以下误差值，通过串联加法推算出40%UN以上的电压系数并最终得到全量程误差值。该方法采用本地化溯源方式有效避免了500 kV标准电压互感器长途运输造成标准器损坏的隐患。

已对500 kV 工频电压比例标准装置全部6 套主标准器的自校准溯源方法进行了分析和研究，且实验室已取得500 kV工频电压比例标准装置计量标准考核证书，能够有效保证电能计量的准确可靠性。