1200kV雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)

王凱雨, 趙 偉, 李傳生, 蔡晉輝, 張煌輝

(1.中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310018； 2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；3.福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350001)

1 引 言

沖擊高電壓試驗技術(shù)在電力設(shè)備性能檢測,航空飛行器、航天系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。沖擊高電壓的量值與被試設(shè)備的安全性、可靠性和設(shè)計的經(jīng)濟性密切相關(guān),需要準(zhǔn)確計量溯源。隨著國內(nèi)高壓技術(shù)的發(fā)展,一些特高壓試驗的沖擊電壓發(fā)生器和測量系統(tǒng)的額定電壓已經(jīng)高達7 200 kV[1, 2],為其校準(zhǔn)所要求的校準(zhǔn)系統(tǒng)額定電壓達到1 000 kV以上。

沖擊分壓器是沖擊電壓測量系統(tǒng)的主體,將雷電沖擊轉(zhuǎn)換成可供測量的低壓信號。沖擊分壓器主要包括電阻分壓器、電容分壓器、阻容分壓器。電阻分壓器采用溫度系數(shù)小且電阻率高的卡瑪絲無感繞成,具有響應(yīng)特性好,溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性高的優(yōu)點,非常適合快速脈沖的測量,因此也常用來作為各個國家計量院(national metrology institute,NMI)的標(biāo)準(zhǔn)分壓器[3]。然而由于電阻分壓器消耗的能量與所加電壓的平方值成正比,工作時會發(fā)熱,因此電壓等級過高時,電阻絲容易燒斷。其次隨著電壓等級的提高,電阻分壓器的穩(wěn)定性和動態(tài)特性受雜散參數(shù)的影響較大,這些因素限制了電阻分壓器無法做到如阻容分壓器一樣高的電壓等級。根據(jù)國際計量局(BIPM)關(guān)鍵參數(shù)比對數(shù)據(jù)庫 (key comparison database,KCDB)提供的資料,目前多個國家計量院建立了沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)并形成了相應(yīng)的校準(zhǔn)與測量能力(calibration and measurement capability,CMC),但額定電壓超過1 000 kV的只有幾家。

德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)建立了額定電壓 1 500 kV,測量不確定度為0.5%的沖擊電壓CMC;澳大利亞國家計量院(NMIA)建立了額定電壓 1 000 kV,測量不確定度1%的沖擊電壓CMC。在國內(nèi),國家高電壓計量站、西安高電壓技術(shù)研究所建立了500 kV沖擊電壓測量系統(tǒng),測量不確定度為0.5%[4,5]。中國計量科學(xué)研究院建立了700 kV沖擊電壓國家標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng),并形成相應(yīng)的CMC,試驗電壓的CMC達到0.5%。2018年,中國計量科學(xué)研究院代表中國參加了國際比對Euramet.EM-S42,結(jié)果公布于BIPM KCDB和Metrologia期刊[6]。然而,當(dāng)前電網(wǎng)和電力設(shè)備的發(fā)展,對于更高等級下沖擊電壓測量系統(tǒng)提出了新的校準(zhǔn)需求,亟待建立額定電壓超過 1 000 kV,并達到國際等效互認(rèn)的沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)。

本文對1 200 kV電阻分壓器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能改善,將建立的1 200 kV沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)與700 kV沖擊電壓國家標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)開展比對以溯源至國家標(biāo)準(zhǔn),并進行線性度試驗以及校準(zhǔn)不確定度分析,闡述了建立1 200 kV沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)的過程。

2 沖擊測量系統(tǒng)

2.1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

沖擊電壓測量系統(tǒng)主要包括阻尼電阻、沖擊分壓器、同軸電纜、末端匹配、衰減器、數(shù)字化儀、分析算法及軟件。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,發(fā)生器產(chǎn)生的高壓信號通過高壓引線進入測量系統(tǒng),阻尼電阻Rd阻尼振蕩后,經(jīng)分壓器分壓,同軸電纜傳輸至衰減器二次分壓后被數(shù)字化儀采集。其中R1是高壓臂電阻,R2是低壓臂電阻,同軸電纜的特征阻抗為50 Ω,Rz是首端匹配電阻,R3是末端50 Ω匹配電阻,R2+Rz≈50 Ω。本文研制的1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)以700 kV標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓測量系統(tǒng)為基礎(chǔ),主要對分壓器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和改善來滿足電壓需求,其余部分基本與700 kV標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓測量系統(tǒng)一致。

圖1 電阻分壓器測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.2 計量參數(shù)

根據(jù)IEC 60060-1:2010和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16927.1—2011規(guī)定,雷電沖擊電壓全波波形的關(guān)鍵計量參數(shù)為試驗電壓Ut、波前時間T1、半峰值時間T2。試驗電壓Ut是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)IEC 60060-1:2010和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16927.1—2011中定義的經(jīng)過擬合濾波處理后電壓曲線的峰值,文中提到測量得到的峰值均為軟件處理后的試驗電壓;T1為峰值的30%到90%的時間間隔的1/0.6倍;T2是指從視在原點上升到峰值后又降到1/2峰值所需時間。標(biāo)準(zhǔn)雷電全波的T1、T2分別為1.2 μs、50 μs。IEC與國標(biāo)允許工業(yè)界檢測實驗室的沖擊電壓測量系統(tǒng)在測量試驗電壓Ut和波形時間參數(shù)時的不確定度分別不超過:±3%,±10%。為校準(zhǔn)檢測實驗室測量系統(tǒng)所需的參考測量系統(tǒng)在測量試驗電壓和波形時間參數(shù)時的不確定度要求分別不超過:±1%,±5%。為校準(zhǔn)參考測量系統(tǒng)所需的更高精度系統(tǒng)一般為國家計量標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng),在測量試驗電壓和波形時間參數(shù)時的不確定度分別不超過:±0.5%,±3%。

本文介紹的沖擊電壓測量系統(tǒng)是為校準(zhǔn)檢測實驗室所用的參考測量系統(tǒng),設(shè)計目標(biāo)為額定電壓 1 200 kV,電壓測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±1%,時間參數(shù)測量準(zhǔn)確度優(yōu)于±5%。對其進行比對校準(zhǔn)所用 700 kV 沖擊電壓國家標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng),其Ut、T1、T2準(zhǔn)確度分別為:±0.5%,±2%,±1.5%。

3 沖擊測量系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 1 200 kV電阻分壓器

將電阻分壓器的傳輸行為用具有均勻分布的有限元網(wǎng)絡(luò)研究,可將電阻分壓器的理論模型認(rèn)為是圖2中的n級網(wǎng)絡(luò)擴展,除本體電阻R0外,它還有電感L0、段電容Cp0,和分布在兩端的對地電容Ce0組成[7]。

圖2 電阻分壓器梯形網(wǎng)絡(luò)中的單個元件

電阻分壓器的單位階躍響應(yīng)計算公式為:

(1)

其中:

(2)

及:

(3)

R=nR0,L=nL0,Ce=nCe0,Cp=Cp0/n

(4)

根據(jù)分壓器階躍響應(yīng)原理可以看出,雜散電感、對地電容越小,階躍響應(yīng)的響應(yīng)時間越短,響應(yīng)特性越好,因此設(shè)計分壓器的關(guān)鍵在于控制雜散電感參數(shù)以及采取相應(yīng)的補償措施減小對地電容影響。為了減小電感,分壓器的高、低壓臂及輸出匹配電阻均采用優(yōu)質(zhì)卡瑪絲雙線交叉無感繞制。在絕緣骨架上車有若干個相互平行的槽放置電阻絲。由于每個槽道內(nèi)有兩根電阻絲,電流產(chǎn)生的電感得以抵消。同時采用密繞方式將分壓器高壓臂集中于分壓器的中上部的一小段空間,通過絕緣支架增加與地面距離,減小對地電容。另一方面通過加裝均壓環(huán)來減小對地電容的影響。并設(shè)計屏蔽措施以減少電器連接產(chǎn)生的能量泄漏和電磁干擾,減少電壓及時間參數(shù)的測量不確定度。

分壓器共上、下兩節(jié),高壓臂總阻值10 kΩ,模型如圖3所示。通過實驗測量最終確定電阻分壓器分壓比為1 273。對分壓器進行連續(xù)若干次實驗沖擊,測量了施加沖擊電壓試驗前后分壓器分壓比的最大變化為0.1%,同時以半年為周期在相同環(huán)境下多次測量分壓器的分壓比,分壓比最大變化為0.12%。

圖3 電阻分壓器的結(jié)構(gòu)模型圖

3.2 電阻衰減器的設(shè)計

電阻衰減器采用兩級衰減器級聯(lián),每級衰減比為10,π型結(jié)構(gòu)連接。衰減器設(shè)計為同軸結(jié)構(gòu),輸入輸出阻抗均為50 Ω,帶寬大于100 MHz,可保證傳輸雷電沖擊電壓信號時不引起波形畸變。由于數(shù)字化儀輸入阻抗為1 MΩ//20 pF,為減少阻抗不匹配造成信號畸變,在衰減器與數(shù)字化儀之間加入50 Ω的匹配電阻。衰減器用于雷電沖擊電壓測量時,內(nèi)部消耗能量很低,短期不會因為溫升導(dǎo)致衰減比的變化,因此只需要考察其長期穩(wěn)定性即可。通過實驗測量最終確定衰減比為96.53,以半年為周期多次在相同環(huán)境下測量衰減器的衰減比,衰減比最大變化0.03%。

3.3 數(shù)字化儀及軟件算法

經(jīng)過衰減器二次衰減及終端匹配后,低壓信號由數(shù)字化儀采集并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。系統(tǒng)選用美國國家儀器公司NI雙通道同步采樣的示波器卡,其采樣率1 000 Msps(Msps表示每秒采樣106次),分辨率14 bit,帶寬300 MHz,上升/下降時間1.5 ns。雷電沖擊全波參數(shù)的計算軟件根據(jù)IEC 60060-1:2010和GB/T 16927.1標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),對采集到的數(shù)據(jù)按式(5)進行雙指數(shù)函數(shù)擬合,并獲得剩余曲線R(t),用等于試驗電壓函數(shù)k(f)(式6)的傳遞函數(shù)來創(chuàng)建濾波器。對R(t)濾波后再進行波形處理得到濾波后的雷電波形,同時計算給出Ut、T1、T2等參數(shù)的測量值及其比對誤差。軟件實現(xiàn)了數(shù)字化儀的參數(shù)設(shè)置,波形數(shù)據(jù)的采集、記錄和回放,以及波形參數(shù)的計算功能。式(5)、式(6)如下:

ud(t)=U[e-(t-td)/τ1-e-(t-td)/τ2]

(5)

式中:t、ud(t)分別為時間、雙指數(shù)電壓函數(shù);U、τ1、τ2和td為擬合所得出的參數(shù)。

(6)

式中:f為頻率,單位MHz。

4 實驗研究

4.1 方波響應(yīng)測試

根據(jù)IEC 61083(GB/T 16896)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)方波分析軟件,將采集的信號進行波形參數(shù)計算,得到方波的實驗響應(yīng)時間TN、部分響應(yīng)時間Tα、穩(wěn)定時間ts、過沖β等參數(shù),并通過與標(biāo)準(zhǔn)雷電波卷積分析得到方波動態(tài)特性對T1、T2造成的誤差。為便于測量,系統(tǒng)還備有標(biāo)準(zhǔn)直流電源和自研的方波發(fā)生器。測試回路根據(jù)IEC 60060-2:2010布置[8]。

實驗測試了系統(tǒng)的方波響應(yīng),測量得到系統(tǒng)方波響應(yīng)的實驗響應(yīng)時間TN、部分響應(yīng)時間Tα、穩(wěn)定時間ts、過沖β分別為:0.055 μs、0.055 μs、0.130 μs和1.7%,將得到的方波與標(biāo)準(zhǔn)1.2/50 μs(波頭時間1.2 μs,波尾時間50 μs,下文同)雷電波卷積分析,卷積后Ut、T1、T2的誤差計算結(jié)果分別為:-0.03%、-0.07%和-0.14%。與0.84/60 μs雷電波卷積,卷積后Ut、T1、T2的誤差計算結(jié)果分別為:-0.01%、0.44%和-0.16%。與1.56/60 μs雷電波卷積,卷積后Ut、T1、T2的誤差計算結(jié)果分別為:-0.04%、-0.20%、-0.10%。測量得到的方波波形如圖4所示。

圖4 方波響應(yīng)測量波形

4.2 比對校準(zhǔn)

采用700 kV沖擊電壓國家標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)對研制的1 200 kV雷電沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)進行比對校準(zhǔn)。比對所用沖擊發(fā)生器為20級Marx回路,額定電壓4 000 kV,雙邊充電,負(fù)載電容為純電容負(fù)載。根據(jù)實驗研究,如用阻尼電容分壓器代替純電容作為負(fù)載,在高頻條件下,電容容抗變小,阻容分壓器內(nèi)部電阻參與分壓,導(dǎo)致波形初期發(fā)生電壓階躍和波形畸變,影響參數(shù)測量的準(zhǔn)確性[9]。

高電壓通過高壓引線經(jīng)純電容負(fù)載連接至公共節(jié)點后分別接被校與標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)。接入兩系統(tǒng)分壓器的高壓引線與地回路平行分布,減小回路電感,兩分壓器成90°排列。電壓信號通過分壓器低壓臂底部輸出端口接同軸電纜分別傳送至遠端的采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。實驗比對了不同等級電壓、不同極性、不同波形下的波形參數(shù)。經(jīng)軟件計算,被校準(zhǔn)1 200 kV測量系統(tǒng)與700 kV標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)在1.2/50 μs雷電波形不同電壓等級下測得的Ut、T1、T2比對誤差的平均值(AVG)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)如表1;在±400 kV電壓下比對其他波形得到Ut、T1、T2相對誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示。

表2 在其他波形時間參數(shù)下的比對結(jié)果

通過對表1、表2統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析,不同電壓、不同極性、不同波形下被校測量系統(tǒng)的試驗電壓Ut誤差基本在0.2%以內(nèi),波前時間T1的誤差隨著電壓的不同略有變化,相對誤差基本在1%以內(nèi)。在500 kV,1.2/50 μs雷電波下的比對波形如圖5所示。

圖5 500 kV輸入電壓下的比對波形

4.3 線性度測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在標(biāo)定測量范圍超過標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)測量范圍的情況下,應(yīng)比對至標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)最高電壓。完整的比對需要在擴展電壓范圍內(nèi)700～1 200 kV通過線性度試驗來完成,并進行線性遞推。GB/T 16927.2給出了線性度的一般測量方法,通過使用沖擊電壓發(fā)生器的充電電壓來輔助測量擴展電壓范圍內(nèi)的線性度[10～16],即測量不同充電電壓下測量系統(tǒng)測得的電壓(記為UM)與發(fā)生器首級充電電壓(記為Ur)比值的變化,即Rg=UM/Ur。

實驗所用負(fù)載為3 000 kV弱阻尼電容分壓器,高壓臂電容Cb1為405 pF,高壓臂電阻Rb1為200 Ω。用2臺直流分壓器分別衰減發(fā)生器首級2臺電容器的充電電壓并分別輸入至2臺數(shù)字電壓表,并通過軟件對2臺數(shù)表同時采樣,確保測量的同步性、準(zhǔn)確性,等效結(jié)構(gòu)如圖6所示?，F(xiàn)場試驗設(shè)備及其位置布置如圖7所示。

圖6 線性度試驗結(jié)構(gòu)圖

圖7 線性度試驗設(shè)備圖

實驗時現(xiàn)場溫度26 ℃,濕度56%,手動延時觸發(fā),充電時間60 s,放電間隔為80 s,保證沖擊發(fā)生器有足夠的時間充電。沖擊發(fā)生器實驗級數(shù)20級,同軸電纜長度30 m,系統(tǒng)在擴展范圍內(nèi)測量不同充電電壓下的實際輸出電壓,每個電壓等級下各進行5次測量,取5次測量的平均值Rg,并計算了所有電壓等級下Rg的平均值Rm,用Rg與Rm的相對誤差ΔRg表征該電壓等級下的非線性,圖8統(tǒng)計了系統(tǒng)在實際輸出試驗電壓為±650 kV、±800 kV、±1 000 kV、±1 200 kV時的ΔRg。以電壓±650 kV下的ΔRg為參考,比較各電壓等級與±650 kV下ΔRg的差值,結(jié)果顯示差值的波動均在國標(biāo)允許范圍內(nèi),滿足對測量系統(tǒng)線性度的要求。

圖8 不同測量電壓下Rg非線性變化

5 測量不確定度評定

GB/T 16927.2給出了沖擊電壓測量不確定度評定的一般方法。校準(zhǔn)過程由700 kV標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓測量系統(tǒng)對1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)進行校準(zhǔn)。

5.1 電壓測量不確定度評定

被校1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)試驗電壓校準(zhǔn)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucal是由比對校準(zhǔn)試驗中 700 kV標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)引入的不確定度uref,以及校準(zhǔn)試驗中的A類和評估測量系統(tǒng)性能的其他B類不確定度計算而來。相對擴展不確定度為:

(7)

式中:k=2為覆蓋因子,對應(yīng)于約95%的覆蓋概率,且為正態(tài)分布;uA為校準(zhǔn)試驗電壓過程中的A類不確定度;uBi(i=0,1,…,7)分別為:系統(tǒng)非線性、擴展電壓范圍的系統(tǒng)非線性、動態(tài)特性、短時穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、環(huán)境溫度變化、鄰近效應(yīng)、軟件算法引入的B類不確定度分量;uref為標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)在其校準(zhǔn)時試驗電壓誤差的合成不確定度。

1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)的試驗電壓測量不確定度分量來源及合成不確定度如表3所示。

表3 電壓測量不確定度分量及合成

由式(7)評定測量系統(tǒng)試驗電壓校準(zhǔn)的相對標(biāo)準(zhǔn)擴展不確定度為:Ucal=0.8%,k=2。考慮到其他未知的不確定度分量,最終評定其相對標(biāo)準(zhǔn)擴展不確定度為:U1=1%,k=2。

5.2 時間參數(shù)測量的不確定度評定

被校1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)波前時間校準(zhǔn)的相對擴展不確定度是由比對校準(zhǔn)中700 kV標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)引入的不確定度uref,以及校準(zhǔn)試驗中的A類不確定度和評估測量系統(tǒng)性能的其他B類不確定度計算而來的。相對擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(8)

式中:k=2為覆蓋因子,對應(yīng)于約95%的覆蓋概率,且為正態(tài)分布;uA為在校準(zhǔn)波前時間過程中的A類不確定度;uBi(i=0,1,…,7)分別為:系統(tǒng)非線性、擴展電壓范圍的系統(tǒng)非線性、動態(tài)特性、短時穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性、環(huán)境溫度變化、鄰近效應(yīng)、軟件算法引入的B類不確定度分量;uref為標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)在其校準(zhǔn)時波前時間誤差的合成不確定度。

對系統(tǒng)進行短時穩(wěn)定性測試,在標(biāo)定時段內(nèi)連續(xù)若干次對1.2/50 μs雷電波在±650 kV電壓下的波前時間進行測量,統(tǒng)計測量的波前時間變化。實驗結(jié)果顯示系統(tǒng)測得的波前時間變化較小,短時穩(wěn)定性很好,此部分引入的不確定分量uB3可忽略。

1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)的波前時間測量不確定度分量來源及合成不確定度如表4所示。

表4 波前時間不確定分量及合成表

由式(8)評定測量系統(tǒng)波前時間校準(zhǔn)的相對標(biāo)準(zhǔn)擴展不確定度為:U2=k·uT1cal=2.7%,k=2。

通過相同評定方法,確定半峰值時間的擴展不確定度為:U3=1.7%,k=2。

6 結(jié) 論

文中設(shè)計了一套1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng),并通過實驗對測量系統(tǒng)進行驗證,得出結(jié)論如下:

1) 通過方波測試得到系統(tǒng)響應(yīng)的波形,與標(biāo)準(zhǔn)雷電波形卷積,并通過軟件計算得到系統(tǒng)導(dǎo)致的測量誤差,結(jié)果顯示1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)的試驗電壓Ut、波前時間T1、半峰值時間T2的比對誤差均在合理范圍內(nèi)。與國家標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓測量系統(tǒng)在700 kV內(nèi)進行比對實驗,從比對結(jié)果可以得出,1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)測得的波形整體與標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)采集到的波形較為吻合,示值誤差在IEC 60060及GB/T 16927允許范圍內(nèi)。根據(jù)線性度的實驗結(jié)果可以看出,1 200 kV沖擊電壓測量系統(tǒng)測得的試驗電壓與充電電壓的比值誤差在國標(biāo)允許范圍內(nèi),驗證了測量系統(tǒng)的線性度。

2) 對1 200 kV標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓測量系統(tǒng)進行了不確定度評定,試驗電壓、波前時間、半峰值時間的相對擴展不確定度分別為:1%、2.7%、1.7%,k=2。