提高電子式電能表檢定可靠性的方法探討

提高電子式電能表檢定可靠性的方法探討



    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在線電子測(cè)量技術(shù)日益成熟。安裝型電子式電能表(以下簡(jiǎn)稱“電子式電能表”)已廣泛應(yīng)用于電能計(jì)量和計(jì)費(fèi)工作中，對(duì)電子式電能表的計(jì)量檢定工作也日益增多。在使用標(biāo)準(zhǔn)表法的電能表檢定裝置檢定電子式電能表時(shí)，常常出現(xiàn)因檢定原理和檢定方法不嚴(yán)密造成的測(cè)量誤差，在依據(jù)JJG596-1999《電子式電能表》檢定規(guī)程開展計(jì)量檢定時(shí)，如何合理判斷啟動(dòng)試驗(yàn)是否合格，如何選擇合理的預(yù)熱時(shí)間以及選擇合理的累計(jì)脈沖數(shù)，一直是困擾檢定人員的問(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)多年不斷的實(shí)踐和探索，提出以下可以提高電子式電能表檢定可靠性的方法，與同行一起探討。
   
一、理論分析與數(shù)據(jù)比較
    1.在啟動(dòng)試驗(yàn)中增加啟動(dòng)時(shí)限要求，可更好地規(guī)范檢定結(jié)果的判定依據(jù)
    JJG596-1999的4.3.1“啟動(dòng)試驗(yàn)”規(guī)定:電子式電能表在參比電壓、參比頻率和功率因數(shù)為1的條件下，當(dāng)負(fù)載電流升到規(guī)定值后，電能表應(yīng)有脈沖輸出或代表電能輸出的指示燈閃爍。由于電子式電能表的型號(hào)、規(guī)格各式各樣，計(jì)量特性各異，啟動(dòng)功率不同，代表電能輸出的指示燈閃爍時(shí)間也不一樣，電能表從啟動(dòng)到電能輸出的指示燈閃爍到底多長(zhǎng)時(shí)間才算合格，規(guī)程中沒(méi)有明確規(guī)定啟動(dòng)時(shí)限，不好判斷啟動(dòng)試驗(yàn)是否合格。
    在進(jìn)行電子式電能表的實(shí)際檢定過(guò)程中，多數(shù)檢定人員做啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，都是以如下公式來(lái)確定啟動(dòng)時(shí)限的，如果在試驗(yàn)中超過(guò)tQ啟動(dòng)時(shí)限則判定為不合格:
    tQ=60×1000/(C·k·PQ)
    式中:tQ——輸出1個(gè)電能脈沖的啟動(dòng)時(shí)限，min；C——電能表脈沖常數(shù)，imp/kW·h；PQ——JJG596-1999規(guī)定的最小啟動(dòng)功率，W；k——接線系數(shù)，單項(xiàng)電能表為1，三相三線電能表為，三相四線電能表為3。
    以單相電子式電能表為例:型號(hào)為DDS516，電壓為220V，電流為5(20)A，頻率為50Hz，電能表常數(shù)C=3200imp/kW·h。
    則該電能表在加以規(guī)定的啟動(dòng)功率后發(fā)出一個(gè)脈沖所需要的時(shí)間:
    tQ=60×1000/(3200×1×220×5×0.005)=3.4min
    而實(shí)測(cè)電能表的啟動(dòng)時(shí)間為2.6min，可見啟動(dòng)試驗(yàn)合格。
    但筆者認(rèn)為，這種判定依據(jù)有不妥之處。該時(shí)限是以電能表在電能測(cè)量誤差為零的前提下，據(jù)啟動(dòng)功率、脈沖常數(shù)及該條件下輸出1個(gè)電能脈沖的時(shí)間之間的關(guān)系計(jì)算得來(lái)的，未對(duì)電能表在啟動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)量誤差予以充分考慮。此時(shí)在啟動(dòng)功率下，電能表只要是正誤差就可以通過(guò)試驗(yàn)，且不管是多大的正誤差都會(huì)通過(guò)，而只要是負(fù)誤差則不能通過(guò)。這將會(huì)使生產(chǎn)廠家有意識(shí)地將電能表在微小負(fù)荷下調(diào)整、制造成為正誤差，以使電能表順利通過(guò)驗(yàn)收，但這對(duì)用戶不公平。
    如何對(duì)啟動(dòng)時(shí)限進(jìn)行合理的計(jì)算呢？筆者認(rèn)為，啟動(dòng)時(shí)限應(yīng)充分考慮電能表在啟動(dòng)功率下允許的電能測(cè)量誤差范圍，且既要考慮正誤差，也要考慮負(fù)誤差；啟動(dòng)時(shí)限應(yīng)是一個(gè)時(shí)間區(qū)間，區(qū)間的最小值以啟動(dòng)功率下允許的電能測(cè)量最大誤差來(lái)確定，最大值則以啟動(dòng)功率下允許的最大負(fù)誤差來(lái)確定。電能表的啟動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)同時(shí)滿足:在時(shí)限區(qū)間的最大值內(nèi)，輸出不少于1個(gè)電能脈沖；在時(shí)限區(qū)間的最小值內(nèi)，應(yīng)輸出不多于1個(gè)電能脈沖，這樣才能判定啟動(dòng)試驗(yàn)是否合格。
    2.采用合理的預(yù)熱時(shí)間，提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度
    按照J(rèn)JG596-1999和相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在確定電能表測(cè)量基本誤差之前應(yīng)對(duì)電能表進(jìn)行充分的通電預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間應(yīng)滿足生產(chǎn)廠家的規(guī)定。而恰恰生產(chǎn)廠家大都沒(méi)有在產(chǎn)品說(shuō)明書中具體注明通電預(yù)熱的時(shí)間要求，使得計(jì)量檢定人員無(wú)法明確執(zhí)行，以致預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)短不一、檢定結(jié)果產(chǎn)生偏差。
    筆者通過(guò)對(duì)幾種類型電子式電能表在不同預(yù)熱時(shí)間下的誤差情況進(jìn)行試驗(yàn)，收集了大量數(shù)據(jù)，并選取了其中較為典型的一組數(shù)據(jù)，如表1所示。
   

    表1  幾種典型安裝型電子式電能表在不同預(yù)熱時(shí)間下的測(cè)量誤差情況表

    從表1可以看出，電子式電能表完全沒(méi)有進(jìn)行通電預(yù)熱時(shí)的電能測(cè)量誤差與充分預(yù)熱(60min)后的電能測(cè)量誤差相差較大，這說(shuō)明對(duì)電子式電能表進(jìn)行充分預(yù)熱的必要性。另外，還可發(fā)現(xiàn)不同類型電子式電能表達(dá)到熱穩(wěn)定的時(shí)間也有所不同，而且與電能表電流采樣方式相關(guān)。如采用錳銅分流器采樣的電能表，因錳銅材料電阻溫度系數(shù)很小(約為0.2×10-4/℃)，電阻值幾乎不隨溫度變化，且錳銅片電阻阻值很小(僅幾百微歐)，所以熱穩(wěn)定所需的時(shí)間很短；采用電流互感器采樣的電能表，因電流互感器為電磁元件，功率消耗較錳銅分流器大，且線圈所用銅材料的電阻溫度系數(shù)為0.0043/℃，電阻隨溫度的變化比錳銅材料大得多，其特性受溫度影響也較大，所以達(dá)到熱穩(wěn)定所需的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而霍爾傳感器型電能表，因霍爾元件受溫度影響較大的特性，達(dá)到熱穩(wěn)定所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。
    通過(guò)上面的試驗(yàn)，一般來(lái)講，在確定電能測(cè)量基本誤差之前，普通安裝型電子式單相表應(yīng)在最大功率下通電預(yù)熱不少于10min；采用電流互感器采樣的電子式三相表預(yù)熱不少于20min；采用霍爾傳感器采樣的三相表預(yù)熱不少于30min；0.5級(jí)及以上安裝型電子式電能表預(yù)熱不少于30min。
    3.增加標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)脈沖數(shù)，可提高標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的測(cè)量可靠性
    在JJG596-1999中，對(duì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值S給出了計(jì)算公式，但當(dāng)測(cè)量這一指標(biāo)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)脈沖數(shù)沒(méi)有另作限定，仍然使用了測(cè)量基本誤差時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)脈沖數(shù)的限定(見JJG596-1999表20)。但筆者通過(guò)分析認(rèn)為，這一限定不能滿足標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值這一指標(biāo)的測(cè)量要求，不能保證所得數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)也不能滿足分辨率的要求。
    計(jì)量器具特別是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值是一個(gè)相對(duì)很小的數(shù)值，一般為其允許誤差(或擴(kuò)展不確定度)的1/5～1/10。JJG596-1999的表9和表10中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)電能表的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值允許值為其基本誤差絕對(duì)值的1/10，安裝式電能表的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值允許值為其基本誤差絕對(duì)值的1/5。對(duì)這一指標(biāo)的測(cè)量所選用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量裝置，其標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值Sn相對(duì)于被測(cè)計(jì)量器具的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值Sx是可忽略的，一般Sn應(yīng)為Sx的1/3～1/10，否則測(cè)量出的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值S就不可靠，就不能代表被測(cè)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值，而是所用標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)對(duì)象兩者之和。對(duì)于這一點(diǎn)，規(guī)程中已對(duì)檢定裝置允許的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值作了嚴(yán)格限定(詳見JJG596-1999表14)。
    通過(guò)以上分析可以看出，對(duì)計(jì)量器具或者計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的測(cè)量，所要求的測(cè)量設(shè)備是很高的，對(duì)于電子式電能表標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的測(cè)量，還應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字作一規(guī)定，以滿足分辨力的要求，它要比測(cè)定基本誤差時(shí)的累計(jì)數(shù)字多得多。
    例如:針對(duì)0.2級(jí)電子式電能表JJG596-1996規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的允許值為0.02%。用0.05級(jí)檢定裝置測(cè)量，裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的允許值為0.006%，正常情況下，測(cè)量該被檢表所得的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值正常時(shí)應(yīng)在0.000%～0.020%范圍內(nèi)。如果在標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字為5000(規(guī)程表20規(guī)定的最小值)的條件下測(cè)定基本誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值，這一累計(jì)數(shù)字對(duì)于測(cè)定基本誤差是滿足要求的，但對(duì)于測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值這一指標(biāo)就太少了。因?yàn)榧僭O(shè)重復(fù)測(cè)量次數(shù)為6次，在這種情況下，最好的測(cè)量結(jié)果是6次中標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字都相等，則標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值為0.000%；其次為6次中標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字有5次相等，有一次比這5次多1個(gè)或少1個(gè)脈沖，我們用標(biāo)準(zhǔn)表的各次累計(jì)數(shù)字來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值。從理論上講，這種方法引用了最原始的數(shù)據(jù)，應(yīng)該是最可靠的，此時(shí)計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值為0.008%，也就是說(shuō)，0.001%、0.002%、0.003%、……、0.007%這幾個(gè)數(shù)在這種情況下根本無(wú)法得到，不能滿足該裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值允許值0.006%的要求。
    下面列出在重復(fù)測(cè)量次數(shù)為5次和10次時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字與得到的除0.000%外的最小標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值(按0.0001間隔化整)，如表2所示。
   

    表2  不同累計(jì)數(shù)字的最小標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值

從表2可以看出，增加重復(fù)測(cè)量次數(shù)可以使獲得的除0.000%外的最小標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值減小，但其效果不大，而增加標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字卻是一個(gè)行之有效的辦法，增加的程度可定為測(cè)定基本誤差時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字的10倍。由此可見，一個(gè)萬(wàn)分之幾的指標(biāo)是沒(méi)法在5000個(gè)脈沖中較好地分辨出來(lái)的，而在50000個(gè)脈沖中可以較好地分辨出來(lái)。
    因此，在測(cè)定電子式電能表的基本誤差時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表(包括處于被檢地位的標(biāo)準(zhǔn)表)的累計(jì)脈沖數(shù)作了嚴(yán)格限定，這是符合微小誤差準(zhǔn)則的。但在測(cè)量電子式電能表標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值這一指標(biāo)時(shí)，只限定檢定裝置的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值是不夠的，還應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字也作一限定，而且，這個(gè)限定值應(yīng)是測(cè)量基本誤差時(shí)的10倍。無(wú)論采用哪種測(cè)定方法，所選取的設(shè)定值應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)表有足夠的累計(jì)脈沖，以滿足分辨力的要求，否則得到的數(shù)據(jù)就不可靠。
   

二、結(jié)論

    本文檢定時(shí)使用的是標(biāo)準(zhǔn)表法電能表檢定裝置，可按照檢定規(guī)程的要求，對(duì)啟動(dòng)、潛動(dòng)試驗(yàn)、測(cè)量基本誤差和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值等一些指標(biāo)進(jìn)行檢定。雖然檢定規(guī)程沒(méi)有明確規(guī)定啟動(dòng)時(shí)限、預(yù)熱時(shí)間和累計(jì)脈沖數(shù)的相關(guān)要求，但在檢定電子式電能表的時(shí)候，最好首先確定電能表的預(yù)熱時(shí)間，在判定啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)要合理給定啟動(dòng)時(shí)限要求，并且在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值時(shí)要相應(yīng)增加標(biāo)準(zhǔn)表的累計(jì)數(shù)字，這樣有助于提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。