局部放電校準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的研制及校驗(yàn)

潘 洋， 施 豪， 耿 驥， 秦 毅，周力任， 朱 力， 林 艷

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203)

1 引 言

在進(jìn)行高壓試品局部放電電荷量的檢測(cè)時(shí)，通常局部放電的真實(shí)放電量是無法直接測(cè)量的，需要通過對(duì)局部放電視在電荷量的測(cè)量來估計(jì)局部放電水平[1～6]。對(duì)試品的局部放電進(jìn)行定量測(cè)量，需首先用局部放電校準(zhǔn)器對(duì)整個(gè)高壓回路進(jìn)行標(biāo)定，局部放電量校準(zhǔn)器就是局部放電視在電荷測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校正時(shí)所使用的等效視在放電量發(fā)生裝置。局部放電校準(zhǔn)器所復(fù)現(xiàn)的電荷量是局部放電測(cè)量準(zhǔn)確與否的重要保證。視在電荷量被列入了國(guó)際計(jì)量局電磁計(jì)量領(lǐng)域校準(zhǔn)測(cè)量能力(CMC)的關(guān)鍵參數(shù)，是局部放電檢測(cè)中的基本量傳單位。

校準(zhǔn)器通常包括階躍電壓發(fā)生器和分度電容器兩部分，階躍電壓發(fā)生器通過與其串聯(lián)的分度電容器向局部放電檢測(cè)回路注入特定波形的標(biāo)準(zhǔn)電荷量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電測(cè)試儀電荷量刻度因數(shù)的校準(zhǔn)[7～9]。

傳統(tǒng)方法對(duì)局部放電校準(zhǔn)器的計(jì)量采用分立元件法，即分別測(cè)量局部放電校準(zhǔn)器內(nèi)置的方波電壓和注入電容，將二者的乘積作為局部放電校準(zhǔn)器的標(biāo)定結(jié)果[10]。這種分立元件標(biāo)定方法存在以下問題：首先，為了測(cè)量階躍電壓和分度電容必須需將被檢局部放電校準(zhǔn)器外殼打開，尋找階躍電壓輸出端子和分度電容端子，如果無法打開儀器便難以通過分立元件法進(jìn)行測(cè)量。即使打開儀器，有時(shí)仍然難以確定對(duì)應(yīng)測(cè)量端。其次，分度電容量通常為皮法級(jí)小電容，且多不具有屏蔽電極，雜散參數(shù)影響較大，無法精確測(cè)量回路的等效分度電容，測(cè)量不確定度較大。

局部放電校準(zhǔn)器是確定局部放電測(cè)量系統(tǒng)刻度因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)器。IEC 60270—2000《局部放電測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)中提出校準(zhǔn)器的首次性能試驗(yàn)應(yīng)溯源到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用對(duì)局部放電校準(zhǔn)器測(cè)量回路電流積分的方法，對(duì)其輸出的電荷量進(jìn)行直接溯源[11]。該方法將校準(zhǔn)器視為一個(gè)整體的電荷源，脈沖輸出波形能反映其電路內(nèi)部的電感、電容等分布參數(shù)，無需打開儀器的外殼，符合儀器的實(shí)際使用條件和狀態(tài)，計(jì)量方法相比于元件測(cè)量法更為先進(jìn)。

2 校準(zhǔn)器積分電路測(cè)量原理

圖1 積分法計(jì)量局部放電校準(zhǔn)器原理線路Fig.1 Principle circuit of integration method for calibration of partial discharge calibrator

積分法計(jì)量局部放電校準(zhǔn)器的原理線路可用圖1說明。圖1中U為階躍電壓；C0為分度電容；R1，L1和C1可等效為連接局部放電校準(zhǔn)器輸出至數(shù)字示波器輸入端的連接電纜的分布參數(shù)和示波器的入口電容[12～14]。積分電阻可以選擇示波器內(nèi)置50 Ω匹配電阻，也可外接高頻同軸電阻。如果選擇示波器內(nèi)置50 Ω電阻，一般示波器的最大量程僅為1 V/div；如果需要測(cè)量50 nC以上的電荷量，可外接50 Ω的同軸衰減器進(jìn)行量程擴(kuò)展。

根據(jù)圖1可知：

i0=i1+iR

穩(wěn)態(tài)時(shí)C1兩端電壓為零，則有：

式中：i0為流過分度電容的電流；i1為流過示波器入口電容的電流；iR為流過采樣電阻兩端的電流；u0為分度電容兩端電壓；u1為示波器入口電容兩端電壓。

計(jì)算中可以看出，雖然采樣電阻兩端的電流iR與流過分度電容的電流i0不同，但是穩(wěn)態(tài)時(shí)分度電容所生成的電荷量全部注入采樣電阻。這表明同軸電纜分布參數(shù)不會(huì)影響積分法的測(cè)量結(jié)果，即計(jì)量結(jié)果與同軸電纜的長(zhǎng)度無關(guān)。

3 校準(zhǔn)回路參數(shù)仿真

數(shù)字示波器1 MΩ的輸入阻抗入口電容約為 14 pF左右，若用示波器內(nèi)部50 Ω匹配，則入口電容幾乎為零。為驗(yàn)證回路各參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果波形的影響，通過仿真分別改變分度電容量、示波器積分電阻以及連接電纜的參數(shù)，觀察積分電阻上的電壓波形與測(cè)量結(jié)果。

圖2 仿真波形圖Fig.2 Fig.2 Simulation waveform

假定50 Ω波阻抗射頻同軸連接電纜等效電阻約為0.05 Ω/m，等效電感為0.1 μH/m，對(duì)地電容為40 pF/m，階躍信號(hào)發(fā)生器的幅值為10 V。分別改變連接電纜的長(zhǎng)度、分度電容量、采樣電阻大小以及階躍電壓發(fā)生器源內(nèi)阻大小，仿真波形如圖2所示。仿真結(jié)果表明：在通常測(cè)量狀態(tài)下，同軸電纜的長(zhǎng)度雖然不會(huì)影響電荷量的測(cè)量結(jié)果，但是由于電纜的電感會(huì)在回路引起波形震蕩，因此較長(zhǎng)的電纜需要更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間；積分電阻上的波形與積分電阻阻值、源內(nèi)阻阻值以及注入電容容量大小密切相關(guān)， 1 m長(zhǎng)的射頻同軸電纜，注入電容為10 pF可能會(huì)造成積分電阻上波形的嚴(yán)重震蕩，源內(nèi)阻越小，震蕩越明顯且無法通過增加積分電阻的阻值抑制震蕩；如果源內(nèi)阻為50 Ω時(shí)，基本積分電阻上的波形均較為平滑，波形與阻值大小基本無關(guān)，積分電阻越大，波形幅值越大，選用50 Ω的積分阻值即可得到較為理想的波形信噪比。

4 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法

標(biāo)準(zhǔn)電荷量從計(jì)量學(xué)角度是溯源到電流和時(shí)間的，通過對(duì)電荷量測(cè)量系統(tǒng)注入規(guī)定時(shí)間的直流電流即可精確標(biāo)定電荷量參數(shù)[15～17]。電荷量值大小不同，示波器測(cè)量檔位均不相同，標(biāo)定是按檔位分別注入不同的直流電流來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐中采用KEITHLEY公司生產(chǎn)的具有峰值電流0.4 fA超低噪聲的6430型靜電計(jì)，輸出不同大小的直流電流進(jìn)行標(biāo)定。從10 μA到10 mA范圍，6430型靜電計(jì)的直流電流測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%。

因電荷量極性存在正負(fù)，標(biāo)定應(yīng)根據(jù)極性不同分開計(jì)量。試驗(yàn)的示波器型號(hào)為TEK公司生產(chǎn)的TDS5054數(shù)字示波器，其最高采樣率為5 GSa/s，帶寬500 MHz。測(cè)量中采用平均模式，平均次數(shù)為64次。示波器垂直分辨率滿屏為8 div，每次測(cè)量時(shí)波形顯示最小為2 div，最大時(shí)為6 div。完整的顯示電荷量波形的水平時(shí)基與被測(cè)電荷量大小有關(guān)，但通常約為40～100 ns左右，以示波器200 mV/div為例，設(shè)定水平時(shí)基80 ns/div，示波器積分測(cè)量的修正系數(shù)計(jì)算如表1所示。校準(zhǔn)步驟為：

(1) 依極性不同分別設(shè)定示波器的初始基線為+3 div(負(fù)極性)和-3 div(正極性)；

(2) 設(shè)定示波器的輸入電阻為50 Ω匹配；

(3) 保存初始基線的偏移量作為參考；

(4) 設(shè)定示波器的存儲(chǔ)深度為100 k采樣點(diǎn)；

(5) 6430輸出相應(yīng)的直流電流I；

(6) 定義示波器數(shù)學(xué)測(cè)量功能為

(7) 設(shè)定示波器測(cè)量區(qū)間為ΔT=80 ns(實(shí)際測(cè)量時(shí)的觸發(fā)位置為20%水平時(shí)基，即160～240 ns)；

(8) 根據(jù)理論真值I·ΔT去修正數(shù)學(xué)測(cè)量中的修正系數(shù)K以使測(cè)量結(jié)果逼近理論真值；

(9) 改變6430型靜電計(jì)的輸出電流，分別覆蓋200 mV/div檔位下的2～6 div(4～24 mA)，得到在同一檔位正負(fù)極性下不同垂直顯示區(qū)間的修正系數(shù)，取其平均值作為該檔位測(cè)量的積分修正值；對(duì)示波器各檔位下依次重復(fù)進(jìn)行上述標(biāo)定過程，得到各檔位對(duì)應(yīng)的積分修正值(表2)，完整的修正系數(shù)(含正負(fù)極性)及各檔位修正系數(shù)均值如圖3所示。

表1 200 mV/div下示波器積分測(cè)量的修正系數(shù)計(jì)算Tab.1 Integral correction coefficient calculation of 200 mV/div range

表2 示波器各檔位積分修正系數(shù)均值Tab.2 Average value of integral correction coefficient of oscilloscope

圖3 示波器各檔位積分修正系數(shù)及均值Fig.3 Integral correction coefficient and average value of each gear of oscilloscope

5 測(cè)量不確定度評(píng)定及能力驗(yàn)證

上述操作步驟可通過測(cè)量軟件控制數(shù)字示波器進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，根據(jù)修正系數(shù)直接得到測(cè)量結(jié)果，修正系數(shù)是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的整體校驗(yàn)，其中包含了對(duì)積分電阻、積分算法以及量程和線性度的修正。充分利用示波器內(nèi)置50 Ω的阻抗匹配，將其作為積分電阻而無需外置單個(gè)積分電阻可較好地避免波形震蕩和雜散參數(shù)的影響，整個(gè)測(cè)量回路同軸屏蔽[18～21]。

對(duì)100 pC的局部放電校準(zhǔn)器進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，測(cè)量結(jié)果如圖4所示，圖中的兩條曲線分別表示分度電容電流瞬時(shí)值以及對(duì)應(yīng)該電流進(jìn)行積分的電荷量穩(wěn)態(tài)終值。各不確定度分量的影響量評(píng)估如表3所示。

表3 測(cè)量不確定度分量評(píng)估(修正系數(shù)K=1.009 5)Tab.3 Measurement uncertainty contribution evaluation(K=1.009 5) (%)

圖4 校準(zhǔn)器輸出100 pC時(shí)測(cè)量結(jié)果Fig.4 Measurement result of 100 pC nominal value of partial discharge calibrator output

項(xiàng)目研制的電荷量測(cè)量系統(tǒng)與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在1～1 000 pC開展了能力驗(yàn)證，結(jié)果表明該參考測(cè)量系統(tǒng)滿足了局部放電校準(zhǔn)器檢定規(guī)程對(duì)于2級(jí)局部放電校準(zhǔn)器檢定能力的要求[22-24]。

6 結(jié) 論

傳統(tǒng)的分立元件法因分度電容量難以精確測(cè)量，受雜散參數(shù)影響較大等缺陷無法可靠計(jì)量局部放電電荷量。電流積分法通過對(duì)回路電流進(jìn)行數(shù)字積分，對(duì)其輸出的電荷量進(jìn)行直接溯源，可以反映測(cè)量回路電感和等效電容，符合儀器的實(shí)際使用條件和狀態(tài)。

仿真結(jié)果表明同軸電纜的長(zhǎng)度雖然不會(huì)影響電荷量的測(cè)量結(jié)果，但電纜的電感會(huì)在回路引起波形震蕩，積分電阻上的波形與積分電阻阻值、源內(nèi)阻阻值以及注入電容容量大小密切相關(guān)，選用50 Ω的積分阻值通?？傻玫捷^為理想的波形信噪比。

本文采用數(shù)字示波器50 Ω匹配，并在實(shí)際測(cè)量中通過直流小電流源注入法修正了數(shù)字示波器各檔位的直流偏置和采樣修正系數(shù)，測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定表明本文研制的局部放電校準(zhǔn)器檢定裝置的檢定能力可以滿足規(guī)程中對(duì)最高等級(jí)局部放電校準(zhǔn)器輸出電荷量的檢定要求。