XLPE绝缘电力电缆绝缘电...数测量不确定度的评定与分析_黄斯平.pdf

FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索XLPE绝缘电力电缆绝缘电阻常数测量不确定度的评定与分析黄斯平王 湄林 远（福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002）摘要：绝缘电阻常数是XLPE绝缘电力电缆重要的电气性能，反映了电缆承受热击穿和电击穿的能力。多年检测发现，不同试验人员测试的试验数据一致性并不理想。文章通过建立绝缘电阻常数的测量不确定度的数学模型，对测量过程中的重点相关分量进行分析，并对其测量不确定度进行评定和分析。关键词：XLPE绝缘电力电缆；绝缘电阻常数；不确定度中图分类号：TM206文献标识码：A文章编号：1004-3969（2022）04-031-05Evaluation and Analysis of Measurement Uncertainty of Insulation ResistanceConstant of XLPE Insulated Power CableHUANG Siping，WANG Mei，LIN Yuan（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality，Fuzhou，Fujian 350002，China）Abstract：Insulation resistance constant is an important electrical performance of XLPE insulated power cable，which reflectsthe ability of the cable to withstand thermal breakdown and electric breakdown.Through years of testing，it is found that theconsistency of test data tested by different testers is not ideal.By establishing the mathematical model of the measurement uncertaintyof insulation resistance constant，this paper analyzes the key relevant components in the measurement process，evaluates and analyzesthe measurement uncertainty.Key words：XLPE Insulated Power Cable；Insulation Resistance Constant；Uncertainty作者简介：黄斯平（1981），男，工程师，从事电线电缆产品检测和研究工作。王湄（1987），女，工程师，从事电线电缆产品检测和研究工作。林远（1984），女，经济师，从事IEC标准研究。XLPE绝缘电力电缆（即铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆）的绝缘层采用交联聚乙烯材料，通过交联工艺将链状分子结构转化成网状分子结构生产而成。其绝缘电阻常数正是体现绝缘安全性能的重要指标，反映了电缆承受热击穿和电击穿的能力。测量的目的是确定被测量的值或获取测量结果，测量不确定度是对测量结果质量的定量表征。因此开展绝缘电阻常数测量不确定度的研究对从事该项目的检测和研究人员非常有参考价值。1检测依据及试验步骤1.1检测依据GB/T 12706.1-2020 额定电压1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV（Um=40.5 kV）挤包绝缘电力电缆及附件 第1部分：额定电压1 kV（Um=1.2 kV）和3 kV（Um=3.6 kV）电缆；GB/T 3048.5-2007 电线电缆电性能试验方法第5部分：绝缘电阻试验。1.2环境温度 31FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索环境温度：（205）；空气相对湿度：80%。1.3检测设备恒温水浴仪（SYY-12），精度1；高绝缘电阻测量仪（ZC-90E），109档位时示值误差为：0.55%；数字测量投影仪（JT3005Z1505），示值误差为：0.2 m，分辨率为0.001 mm；30 m钢卷尺，准确度等级为级，分辨率为1 mm。1.4试验步骤列举XLPE绝缘电力电缆YJV-0.6/1 125。取试样约11 m，剥除外护套，保留XLPE绝缘线芯，注意不可损伤绝缘表面。在大约离试样两端50 cm处的绝缘线芯上分别作上标记，并用钢卷尺测量出有效长度L。将试样有效长度全部浸入带有循环功能的恒温水浴仪中。绝缘线芯两端至少露出水面25 cm，其中一端剥去绝缘层，露出铜导体，绝缘部分至少露出15 cm。应特别注意，两个端头露出的绝缘线芯表面必须保持干燥。用数字测量投影仪测量绝缘外径 D 和内径 d。试验前试样浸在（902）的水中至少1 h，使绝缘温度与水温平衡，并保持稳定。用高绝缘电阻测量仪在导体和水之间施加直流电压500 V，1 min时读取绝缘电阻值R。由于多次重复测试会使残余电荷越积越多，从而影响测量数据的准确性。按照标准要求，在重复测量时必须充分放电，放电时间不得小于充电时间4倍。2建立绝缘电阻常数数学模型和不确定度影响因素分析2.1建立数学模型依据 GB/T 12706.1-2020 和 GB/T 3048.5-2007，得出绝缘电阻常数Ki：Ki=L R 10-11lg(Dd)（1）式中：Ki绝缘电阻常数，Mkm；R测量得到的绝缘电阻，；L电缆浸水的有效长度，cm；D绝缘外径，mm；d绝缘内径，mm。2.2绝缘电阻常数测量不确定度影响因素分析由公式（1）可知，影响绝缘电阻常数测量不确定度的因素有绝缘电阻R、有效长度L、绝缘外径D和内径d。其中，绝缘电阻R的测量不确定度来源有：测量数据重复性引入的不确定度，电阻测量仪的示值误差引入的不确定度。有效长度L的测量不确定度来源有：测量数据重复性引入的不确定度，钢卷尺的示值误差引入的不确定度，分辨率引入的不确定度。绝缘外径D和内径d的测量不确定度来源有：测量数据重复性引入的不确定度，数字测量投影仪示值误差引入的不确定度，分辨率引入的不确定度。影响绝缘电阻常数除了以上因素外，还有水温。在SYY-12恒温水浴仪中均匀放置6个温控点，记录60 min内水温变化，如图1所示。由于水浴仪带有水循环功能，所以各个温控点的温度范围在 89.890.2 之间波动，偏差为（900.2），水温比较稳定，故本文对水温不作独立考虑。图图1 1SYY-SYY-1212恒温水浴仪温控图恒温水浴仪温控图Fig.1 Temperature control diagram of SYY-12 constant temperaturewater bath instrument由于绝缘电阻R、有效长度L，以及绝缘外径D和内径d测量值引入的测量不确定度彼此独立无关联，所以根据不确定度传播规律可以得出绝缘电阻常数的合成标准不确定度u（Ki）：u（Ki）=C12u2(R)+C22u2(L)+C32u2(D)+C42u2(d)（2）32FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索式中，u（R）、u（L）、u（D）和u（d）分别为绝缘电阻、有效长度、绝缘外径和内径的标准不确定度，C1、C2、C3、C4分别为其灵敏系数。3测量结果不确定度的评定与分析为了求出测试数据重复性引入的不确定度，按照1.4的试验步骤进行10次重复性测试。在相同条件下测量出绝缘电阻、有效长度、绝缘外径和内径的试验数据，最后测算出绝缘电阻常数Ki，计算结果如表1所示。表表1 1绝缘电阻绝缘电阻、有效长度有效长度、绝缘外径和内径测量数据重复性绝缘外径和内径测量数据重复性Tab.1 Repeatability of measurement data of insulation resistance，effective length，insulation outer diameter and inner diameter测量次数12345678910平均值绝缘电阻值R/（*109）8.448.758.978.889.209.499.659.8210.3010.069.36有效长度L/cm1015.31016.01015.91015.51015.71015.51015.21015.31015.41015.61015.5绝缘外径D/mm8.6228.6288.6258.6218.6328.6248.6168.6258.6298.6228.624绝缘内径d/mm6.5166.5126.5106.5176.5116.5146.5216.5176.5236.5166.516绝缘电阻常数Ki/Mkm704.10729.96748.31740.80767.50791.69805.04819.22859.27839.24780.513.1绝缘电阻R的不确定度评定3.1.1测试重复性引入的标准不确定度u1（R）采用 A 类方法进行评定。测试 10 次绝缘电阻值，测试数据如表1所示。绝缘电阻平均值-R=9.36109，根据贝塞尔公式得出标准偏差s（R）：s()R=1n-1i=1n(Ri-R)2=0.607109（3）按照标准要求，绝缘电阻 R 为单次测量取值，m=1，故标准不确定度u1（R）为：u1（R）=s（R）=0.607109（4）3.1.2高绝缘电阻测量仪的示值误差引入的标准不确定度u2（R）示值误差采用B类方法评定。查询该仪器检定证书，109档位时示值误差为：0.55%。假设为均匀分布，则区间半宽度a（R）=0.0055，包含因子k（R）=3，故标准不确定度u2（R）为：u2（R）=a(R)3-R=0.0297109（5）3.1.3绝缘电阻R的不确定度评定u（R）由于测试重复性和仪器示值误差引入的不确定度之间彼此独立无关联，故绝缘电阻R的合成标准不确定度u（R）为：u（R）=u12(R)+u22(R)=0.608109（6）3.2有效长度L的不确定度评定3.2.1测试重复性引入的标准不确定度u1（L）采用A类方法评定，测量10次有效长度，测试数据如表 1所示，平均值-L=1015.5 cm，根据贝塞尔公式得出标准偏差s（L）：s()L=1n-1i=1n(Li-L)2=0.263 cm（7）按照标准要求，有效长度 L 为单次测量取值，m=1，故标准不确定度u1（L）为：u1（L）=s（L）=0.263 cm（8）33FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索3.2.2钢卷尺的示值误差u2（L）示值误差采用B类方法评定。经查询，钢卷尺准确度等级为级，示值误差为：（0.3mm+210-4L），其中L取10 m。假设为均匀分布，则区间半宽度a1（L）=0.23 cm，包含因子k1（L）=3，故标准不确定度u2（F）为：u2（F）=0.233=0.133 cm（9）3.2.3分辨率引入的标准不确定度u3（d）分辨率采用B类评定方法。分辨率为1 mm，假设为均匀分布，则区间半宽度a2（L）=0.05 cm，包含因子k2（L）=3，故标准不确定度u3（L）为：u3（L）=0.053=0.0289 cm（10）3.2.4有效长度的测量不确定度评定u（L）上述3个因素引入的不确定度之间彼此独立无关联，故有效长度L的合成标准不确定度u（L）为：u（L）=u12(L)+u22(L)+u32(L)=0.296 cm（11）3.3绝缘外径和内径的测试不确定度评定3.3.1绝缘外径和内径测试重复性引入的标准不确定度u1（D）、u1（d）采用A类方法进行评定。分别测量10次绝缘外径和内径，如表1所示。绝缘外径平均值-D=8.624 mm，绝缘内径平均值-d=6.516 mm，根据贝塞尔公式得出标准偏差：s()D=1n-1i=1n(Di-D)2=0.0046 mm（12）s(