提高电子式电能表检定可靠性的方法探讨

提高电子式电能表检定可靠性的方法探讨



    随着科学技术的进步，在线电子测量技术日益成熟。安装型电子式电能表(以下简称“电子式电能表”)已广泛应用于电能计量和计费工作中，对电子式电能表的计量检定工作也日益增多。在使用标准表法的电能表检定装置检定电子式电能表时，常常出现因检定原理和检定方法不严密造成的测量误差，在依据JJG596-1999《电子式电能表》检定规程开展计量检定时，如何合理判断启动试验是否合格，如何选择合理的预热时间以及选择合理的累计脉冲数，一直是困扰检定人员的问题。笔者经过多年不断的实践和探索，提出以下可以提高电子式电能表检定可靠性的方法，与同行一起探讨。
   
一、理论分析与数据比较
    1.在启动试验中增加启动时限要求，可更好地规范检定结果的判定依据
    JJG596-1999的4.3.1“启动试验”规定:电子式电能表在参比电压、参比频率和功率因数为1的条件下，当负载电流升到规定值后，电能表应有脉冲输出或代表电能输出的指示灯闪烁。由于电子式电能表的型号、规格各式各样，计量特性各异，启动功率不同，代表电能输出的指示灯闪烁时间也不一样，电能表从启动到电能输出的指示灯闪烁到底多长时间才算合格，规程中没有明确规定启动时限，不好判断启动试验是否合格。
    在进行电子式电能表的实际检定过程中，多数检定人员做启动试验时，都是以如下公式来确定启动时限的，如果在试验中超过tQ启动时限则判定为不合格:
    tQ=60×1000/(C·k·PQ)
    式中:tQ——输出1个电能脉冲的启动时限，min；C——电能表脉冲常数，imp/kW·h；PQ——JJG596-1999规定的最小启动功率，W；k——接线系数，单项电能表为1，三相三线电能表为，三相四线电能表为3。
    以单相电子式电能表为例:型号为DDS516，电压为220V，电流为5(20)A，频率为50Hz，电能表常数C=3200imp/kW·h。
    则该电能表在加以规定的启动功率后发出一个脉冲所需要的时间:
    tQ=60×1000/(3200×1×220×5×0.005)=3.4min
    而实测电能表的启动时间为2.6min，可见启动试验合格。
    但笔者认为，这种判定依据有不妥之处。该时限是以电能表在电能测量误差为零的前提下，据启动功率、脉冲常数及该条件下输出1个电能脉冲的时间之间的关系计算得来的，未对电能表在启动状态下的测量误差予以充分考虑。此时在启动功率下，电能表只要是正误差就可以通过试验，且不管是多大的正误差都会通过，而只要是负误差则不能通过。这将会使生产厂家有意识地将电能表在微小负荷下调整、制造成为正误差，以使电能表顺利通过验收，但这对用户不公平。
    如何对启动时限进行合理的计算呢？笔者认为，启动时限应充分考虑电能表在启动功率下允许的电能测量误差范围，且既要考虑正误差，也要考虑负误差；启动时限应是一个时间区间，区间的最小值以启动功率下允许的电能测量最大误差来确定，最大值则以启动功率下允许的最大负误差来确定。电能表的启动试验应同时满足:在时限区间的最大值内，输出不少于1个电能脉冲；在时限区间的最小值内，应输出不多于1个电能脉冲，这样才能判定启动试验是否合格。
    2.采用合理的预热时间，提高检定结果的准确度
    按照JJG596-1999和相关制造标准的规定，在确定电能表测量基本误差之前应对电能表进行充分的通电预热，预热时间应满足生产厂家的规定。而恰恰生产厂家大都没有在产品说明书中具体注明通电预热的时间要求，使得计量检定人员无法明确执行，以致预热时间长短不一、检定结果产生偏差。
    笔者通过对几种类型电子式电能表在不同预热时间下的误差情况进行试验，收集了大量数据，并选取了其中较为典型的一组数据，如表1所示。
   

    表1  几种典型安装型电子式电能表在不同预热时间下的测量误差情况表

    从表1可以看出，电子式电能表完全没有进行通电预热时的电能测量误差与充分预热(60min)后的电能测量误差相差较大，这说明对电子式电能表进行充分预热的必要性。另外，还可发现不同类型电子式电能表达到热稳定的时间也有所不同，而且与电能表电流采样方式相关。如采用锰铜分流器采样的电能表，因锰铜材料电阻温度系数很小(约为0.2×10-4/℃)，电阻值几乎不随温度变化，且锰铜片电阻阻值很小(仅几百微欧)，所以热稳定所需的时间很短；采用电流互感器采样的电能表，因电流互感器为电磁元件，功率消耗较锰铜分流器大，且线圈所用铜材料的电阻温度系数为0.0043/℃，电阻随温度的变化比锰铜材料大得多，其特性受温度影响也较大，所以达到热稳定所需的时间相对较长。而霍尔传感器型电能表，因霍尔元件受温度影响较大的特性，达到热稳定所需的时间也较长。
    通过上面的试验，一般来讲，在确定电能测量基本误差之前，普通安装型电子式单相表应在最大功率下通电预热不少于10min；采用电流互感器采样的电子式三相表预热不少于20min；采用霍尔传感器采样的三相表预热不少于30min；0.5级及以上安装型电子式电能表预热不少于30min。
    3.增加标准表的累计脉冲数，可提高标准偏差估计值的测量可靠性
    在JJG596-1999中，对计算标准偏差估计值S给出了计算公式，但当测量这一指标时，标准表的累计脉冲数没有另作限定，仍然使用了测量基本误差时对标准表的累计脉冲数的限定(见JJG596-1999表20)。但笔者通过分析认为，这一限定不能满足标准偏差估计值这一指标的测量要求，不能保证所得数据的可靠性，同时也不能满足分辨率的要求。
    计量器具特别是计量标准，其标准偏差估计值是一个相对很小的数值，一般为其允许误差(或扩展不确定度)的1/5～1/10。JJG596-1999的表9和表10中规定了标准电能表的标准偏差估计值允许值为其基本误差绝对值的1/10，安装式电能表的标准偏差估计值允许值为其基本误差绝对值的1/5。对这一指标的测量所选用的计量标准和测量装置，其标准偏差估计值Sn相对于被测计量器具的标准偏差估计值Sx是可忽略的，一般Sn应为Sx的1/3～1/10，否则测量出的标准偏差估计值S就不可靠，就不能代表被测对象的标准偏差估计值，而是所用标准和被测对象两者之和。对于这一点，规程中已对检定装置允许的标准偏差估计值作了严格限定(详见JJG596-1999表14)。
    通过以上分析可以看出，对计量器具或者计量标准的标准偏差估计值的测量，所要求的测量设备是很高的，对于电子式电能表标准偏差估计值的测量，还应对标准表的累计数字作一规定，以满足分辨力的要求，它要比测定基本误差时的累计数字多得多。
    例如:针对0.2级电子式电能表JJG596-1996规定的标准偏差估计值的允许值为0.02%。用0.05级检定装置测量，装置的标准偏差估计值的允许值为0.006%，正常情况下，测量该被检表所得的标准偏差估计值正常时应在0.000%～0.020%范围内。如果在标准表的累计数字为5000(规程表20规定的最小值)的条件下测定基本误差和标准偏差估计值，这一累计数字对于测定基本误差是满足要求的，但对于测定标准偏差估计值这一指标就太少了。因为假设重复测量次数为6次，在这种情况下，最好的测量结果是6次中标准表的累计数字都相等，则标准偏差估计值为0.000%；其次为6次中标准表的累计数字有5次相等，有一次比这5次多1个或少1个脉冲，我们用标准表的各次累计数字来计算标准偏差估计值。从理论上讲，这种方法引用了最原始的数据，应该是最可靠的，此时计算得到的标准偏差估计值为0.008%，也就是说，0.001%、0.002%、0.003%、……、0.007%这几个数在这种情况下根本无法得到，不能满足该装置的标准偏差估计值允许值0.006%的要求。
    下面列出在重复测量次数为5次和10次时，标准表的累计数字与得到的除0.000%外的最小标准偏差估计值(按0.0001间隔化整)，如表2所示。
   

    表2  不同累计数字的最小标准偏差估计值

从表2可以看出，增加重复测量次数可以使获得的除0.000%外的最小标准偏差估计值减小，但其效果不大，而增加标准表的累计数字却是一个行之有效的办法，增加的程度可定为测定基本误差时标准表的累计数字的10倍。由此可见，一个万分之几的指标是没法在5000个脉冲中较好地分辨出来的，而在50000个脉冲中可以较好地分辨出来。
    因此，在测定电子式电能表的基本误差时，对标准表(包括处于被检地位的标准表)的累计脉冲数作了严格限定，这是符合微小误差准则的。但在测量电子式电能表标准偏差估计值这一指标时，只限定检定装置的标准偏差估计值是不够的，还应对标准表的累计数字也作一限定，而且，这个限定值应是测量基本误差时的10倍。无论采用哪种测定方法，所选取的设定值应使标准表有足够的累计脉冲，以满足分辨力的要求，否则得到的数据就不可靠。
   

二、结论

    本文检定时使用的是标准表法电能表检定装置，可按照检定规程的要求，对启动、潜动试验、测量基本误差和测量标准偏差估计值等一些指标进行检定。虽然检定规程没有明确规定启动时限、预热时间和累计脉冲数的相关要求，但在检定电子式电能表的时候，最好首先确定电能表的预热时间，在判定启动试验时要合理给定启动时限要求，并且在测量标准偏差估计值时要相应增加标准表的累计数字，这样有助于提高检定结果的准确性和可靠性。