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



    隨著科學技術的進步，在線電子測量技術日益成熟。安裝型電子式電能表(以下簡稱“電子式電能表”)已廣泛應用于電能計量和計費工作中，對電子式電能表的計量檢定工作也日益增多。在使用標準表法的電能表檢定裝置檢定電子式電能表時，常常出現因檢定原理和檢定方法不嚴密造成的測量誤差，在依據JJG596-1999《電子式電能表》檢定規程開展計量檢定時，如何合理判斷啟動試驗是否合格，如何選擇合理的預熱時間以及選擇合理的累計脈沖數，一直是困擾檢定人員的問題。筆者經過多年不斷的實踐和探索，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、理論分析與數據比較
    1.在啟動試驗中增加啟動時限要求，可更好地規范檢定結果的判定依據
    JJG596-1999的4.3.1“啟動試驗”規定:電子式電能表在參比電壓、參比頻率和功率因數為1的條件下，當負載電流升到規定值后，電能表應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、規格各式各樣，計量特性各異，啟動功率不同，代表電能輸出的指示燈閃爍時間也不一樣，電能表從啟動到電能輸出的指示燈閃爍到底多長時間才算合格，規程中沒有明確規定啟動時限，不好判斷啟動試驗是否合格。
    在進行電子式電能表的實際檢定過程中，多數檢定人員做啟動試驗時，都是以如下公式來確定啟動時限的，如果在試驗中超過tQ啟動時限則判定為不合格:
    tQ=60×1000/(C·k·PQ)
    式中:tQ——輸出1個電能脈沖的啟動時限，min；C——電能表脈沖常數，imp/kW·h；PQ——JJG596-1999規定的最小啟動功率，W；k——接線系數，單項電能表為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:型號為DDS516，電壓為220V，電流為5(20)A，頻率為50Hz，電能表常數C=3200imp/kW·h。
    則該電能表在加以規定的啟動功率后發出一個脈沖所需要的時間:
    tQ=60×1000/(3200×1×220×5×0.005)=3.4min
    而實測電能表的啟動時間為2.6min，可見啟動試驗合格。
    但筆者認為，這種判定依據有不妥之處。該時限是以電能表在電能測量誤差為零的前提下，據啟動功率、脈沖常數及該條件下輸出1個電能脈沖的時間之間的關系計算得來的，未對電能表在啟動狀態下的測量誤差予以充分考慮。此時在啟動功率下，電能表只要是正誤差就可以通過試驗，且不管是多大的正誤差都會通過，而只要是負誤差則不能通過。這將會使生產廠家有意識地將電能表在微小負荷下調整、制造成為正誤差，以使電能表順利通過驗收，但這對用戶不公平。
    如何對啟動時限進行合理的計算呢？筆者認為，啟動時限應充分考慮電能表在啟動功率下允許的電能測量誤差范圍，且既要考慮正誤差，也要考慮負誤差；啟動時限應是一個時間區間，區間的最小值以啟動功率下允許的電能測量最大誤差來確定，最大值則以啟動功率下允許的最大負誤差來確定。電能表的啟動試驗應同時滿足:在時限區間的最大值內，輸出不少于1個電能脈沖；在時限區間的最小值內，應輸出不多于1個電能脈沖，這樣才能判定啟動試驗是否合格。
    2.采用合理的預熱時間，提高檢定結果的準確度
    按照JJG596-1999和相關制造標準的規定，在確定電能表測量基本誤差之前應對電能表進行充分的通電預熱，預熱時間應滿足生產廠家的規定。而恰恰生產廠家大都沒有在產品說明書中具體注明通電預熱的時間要求，使得計量檢定人員無法明確執行，以致預熱時間長短不一、檢定結果產生偏差。
    筆者通過對幾種類型電子式電能表在不同預熱時間下的誤差情況進行試驗，收集了大量數據，并選取了其中較為典型的一組數據，如表1所示。
   

    表1  幾種典型安裝型電子式電能表在不同預熱時間下的測量誤差情況表

    從表1可以看出，電子式電能表完全沒有進行通電預熱時的電能測量誤差與充分預熱(60min)后的電能測量誤差相差較大，這說明對電子式電能表進行充分預熱的必要性。另外，還可發現不同類型電子式電能表達到熱穩定的時間也有所不同，而且與電能表電流采樣方式相關。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)，所以熱穩定所需的時間很短；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，所以達到熱穩定所需的時間相對較長。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，達到熱穩定所需的時間也較長。
    通過上面的試驗，一般來講，在確定電能測量基本誤差之前，普通安裝型電子式單相表應在最大功率下通電預熱不少于10min；采用電流互感器采樣的電子式三相表預熱不少于20min；采用霍爾傳感器采樣的三相表預熱不少于30min；0.5級及以上安裝型電子式電能表預熱不少于30min。
    3.增加標準表的累計脈沖數，可提高標準偏差估計值的測量可靠性
    在JJG596-1999中，對計算標準偏差估計值S給出了計算公式，但當測量這一指標時，標準表的累計脈沖數沒有另作限定，仍然使用了測量基本誤差時對標準表的累計脈沖數的限定(見JJG596-1999表20)。但筆者通過分析認為，這一限定不能滿足標準偏差估計值這一指標的測量要求，不能保證所得數據的可靠性，同時也不能滿足分辨率的要求。
    計量器具特別是計量標準，其標準偏差估計值是一個相對很小的數值，一般為其允許誤差(或擴展不確定度)的1/5～1/10。JJG596-1999的表9和表10中規定了標準電能表的標準偏差估計值允許值為其基本誤差絕對值的1/10，安裝式電能表的標準偏差估計值允許值為其基本誤差絕對值的1/5。對這一指標的測量所選用的計量標準和測量裝置，其標準偏差估計值Sn相對于被測計量器具的標準偏差估計值Sx是可忽略的，一般Sn應為Sx的1/3～1/10，否則測量出的標準偏差估計值S就不可靠，就不能代表被測對象的標準偏差估計值，而是所用標準和被測對象兩者之和。對于這一點，規程中已對檢定裝置允許的標準偏差估計值作了嚴格限定(詳見JJG596-1999表14)。
    通過以上分析可以看出，對計量器具或者計量標準的標準偏差估計值的測量，所要求的測量設備是很高的，對于電子式電能表標準偏差估計值的測量，還應對標準表的累計數字作一規定，以滿足分辨力的要求，它要比測定基本誤差時的累計數字多得多。
    例如:針對0.2級電子式電能表JJG596-1996規定的標準偏差估計值的允許值為0.02%。用0.05級檢定裝置測量，裝置的標準偏差估計值的允許值為0.006%，正常情況下，測量該被檢表所得的標準偏差估計值正常時應在0.000%～0.020%范圍內。如果在標準表的累計數字為5000(規程表20規定的最小值)的條件下測定基本誤差和標準偏差估計值，這一累計數字對于測定基本誤差是滿足要求的，但對于測定標準偏差估計值這一指標就太少了。因為假設重復測量次數為6次，在這種情況下，最好的測量結果是6次中標準表的累計數字都相等，則標準偏差估計值為0.000%；其次為6次中標準表的累計數字有5次相等，有一次比這5次多1個或少1個脈沖，我們用標準表的各次累計數字來計算標準偏差估計值。從理論上講，這種方法引用了最原始的數據，應該是最可靠的，此時計算得到的標準偏差估計值為0.008%，也就是說，0.001%、0.002%、0.003%、……、0.007%這幾個數在這種情況下根本無法得到，不能滿足該裝置的標準偏差估計值允許值0.006%的要求。
    下面列出在重復測量次數為5次和10次時，標準表的累計數字與得到的除0.000%外的最小標準偏差估計值(按0.0001間隔化整)，如表2所示。
   

    表2  不同累計數字的最小標準偏差估計值

從表2可以看出，增加重復測量次數可以使獲得的除0.000%外的最小標準偏差估計值減小，但其效果不大，而增加標準表的累計數字卻是一個行之有效的辦法，增加的程度可定為測定基本誤差時標準表的累計數字的10倍。由此可見，一個萬分之幾的指標是沒法在5000個脈沖中較好地分辨出來的，而在50000個脈沖中可以較好地分辨出來。
    因此，在測定電子式電能表的基本誤差時，對標準表(包括處于被檢地位的標準表)的累計脈沖數作了嚴格限定，這是符合微小誤差準則的。但在測量電子式電能表標準偏差估計值這一指標時，只限定檢定裝置的標準偏差估計值是不夠的，還應對標準表的累計數字也作一限定，而且，這個限定值應是測量基本誤差時的10倍。無論采用哪種測定方法，所選取的設定值應使標準表有足夠的累計脈沖，以滿足分辨力的要求，否則得到的數據就不可靠。
   

二、結論

    本文檢定時使用的是標準表法電能表檢定裝置，可按照檢定規程的要求，對啟動、潛動試驗、測量基本誤差和測量標準偏差估計值等一些指標進行檢定。雖然檢定規程沒有明確規定啟動時限、預熱時間和累計脈沖數的相關要求，但在檢定電子式電能表的時候，最好首先確定電能表的預熱時間，在判定啟動試驗時要合理給定啟動時限要求，并且在測量標準偏差估計值時要相應增加標準表的累計數字，這樣有助于提高檢定結果的準確性和可靠性。