可溯源冲击电压校准器特性研究

李文婷，刘少波，龙兆芝，肖　凯，宗贤伟

（中国电力科学研究院，湖北武汉430074）



可溯源冲击电压校准器特性研究

李文婷，刘少波，龙兆芝，肖凯，宗贤伟

（中国电力科学研究院，湖北武汉430074）

摘要：介绍一种可溯源的冲击电压校准器，该校准器可输出IEC 60060-1——2010《高电压试验技术第一部分：一般定义和试验要求》中所规定的标准雷电全波、雷电操作波等4种时间参数波形，可作为标准波源对数字记录仪及冲击峰值表进行校准。该校准器可通过理论分析的方式溯源至各元器件的国家标准，其输出电压峰值不确定度＜0.1%，时间参数不确定度＜0.5%，可满足实际应用中对冲击电压峰值表及冲击测量用数字记录仪的幅值及时间测量参数校准的需求，具有很好的实用性及较高的推广价值。

关键词：可溯源；标准波源；数字记录仪；冲击峰值表

0　引言

冲击电压测量系统包括冲击分压器及二次测量仪表，为保证冲击电压测量的准确性，应定期对该系统进行校准[1-4]；其中，冲击二次测量仪表包括数字记录仪及冲击峰值表[5]，通常采用冲击电压标准波源对冲击二次测量仪进行校准。冲击电压标准波源，即可输出标准波形参数的冲击电压波源，主要用于校准冲击电压峰值表及冲击测量用数字记录仪的幅值及时间测量参数[6]，还可用于标定冲击分压器的刻度因数。目前各省计量院及电科院采用的冲击电压标准波源多为进口设备，如瑞士HAEFELY及德国Strauss公司生产的校准波源，国外研究机构相继开展了可溯源冲击电压校准器的研究[7-9]；但国内目前暂无厂家及科研机构研制准确度等级较高的冲击电压标准波源，使用进口冲击波源存在难以溯源及维修困难的问题，目前亟需自行研制准确度等级较高的冲击电压标准波源。

1　冲击电压校准器

1.1基本功能

冲击电压校准器作为标准波源既可用于校准冲击峰值表及数字记录仪，也可对冲击分压器的刻度因数进行标定，其设计要求主要为输出冲击电压幅值参数及时间参数准确且稳定性好、有较强的带载能力、输出电压有良好的线性度及长期稳定性、能够输出多种参数的标准波形（如雷电全波、雷电截波及操作波）、能够输出不同幅值的电压。本校准器波源共包括4种时间参数标准波形，分别为0.84μs/60μs、1.56 μs/60μs、250 μs/2500μs、20μs/4000μs，基本覆盖了IEC60060-1——2010中规定的雷电压标准波形。

目前在电力行业中广泛使用的冲击电压峰值表的准确度等级为1级，因此要求校准用波源的准确度等级≥0.3级，或其输出幅值的测量不确定度≤0.3%，才能满足校准需求。理论上，冲击电压校准器的输出电压值越高越好，但在实际研制过程中其输出电压多会受到元器件参数的限制，本文所研制的校准器输出波形峰值电压为1000 V。

本文研制的校准器系统包括充电电源、触发模块、校准波形形成模块、反馈测量模块及控制模块；其中，控制模块程序基于LabVIEW编制[10]，安装于计算机中用于控制充电模块、触发模块及反馈测量模块。为保证在校准过程中挂接不同试品负载时，校准波源均能输出预期的幅值电压，在校准器控制模块中设计了计算环节及反馈测量环节，可以根据每次校准器所带负载情况计算校准器中储能电容上的充电电压值，并在充电过程中将校准器形成回路中主电容上的充电电压值实时反馈给控制模块。

1.2校准器电路设计

校准器模块如图1所示，I为充电部分，II为电压反馈测量部分，III为标准波形形成回路，IV为输出电缆及所挂接负载，V为触发模块。其中，控制模块用于控制波源中电容的充电幅值、充电时刻及回路放电时刻（即给出开关触发信号的时刻），测量模块用于测量储能电容上的电压值并实时反馈给控制模块，控制模块通过对反馈电压值判断后给出继续充电或停止充电的信号。在主电容两端并联电阻R11、R12支路，使R11与R12构成一个反馈分压器，并将R12上的电压反馈至数字电压表，用于监测主电容电压，当所监测电压达到预期充电值时，触发回路立刻给出信号，控制开关放电。标准波形成回路为一个单级的冲击电压发生器回路，由储能电容CS、波尾电阻RE、波头电阻RD、放电电容Cb，负载电容CL、RL，及回路杂散参数LS、RS组成。当储能电容CS充电完成后，触发模块给开关K发送触发信号，开关K立即闭合完成回路的放电，在负载上即可得到用于校准的标准冲击电压波形。

在校准器主开关K闭合放电的瞬间，需要将储能电容CS充电支路的开关S切断，因此在校准器控制模块设计时，需要充分考虑这两个开关动作配合的准确性，若校准器回路开关K闭合时，充电回路开关S还未关断，这时主电容上的电压还在不断充电，将影响校准器放电回路的电压幅值；若储能电容充电回路开关S关断后，主回路开关K滞后闭合，则电容CS上的电压将会沿反馈支路电阻R11及R12回路泄放，校准器回路输出电压值将会低于预计值。本文研制的校准器采用的开关S为继电器，开关K为MOSFET，为了保证开关S动作时间充分，设计给出的两个开关的动作触发信号之间的时间间隔设定为40μs，在保证继电器S完全断开后，K能够迅速闭合。

1.3校准器控制及测量系统

图1　校准器电路图

在该冲击电压校准器中控制及反馈测量模块起着重要的调节作用，是保证校准器系统输出电压幅值准确可靠的关键因素。当需要校准器输出指定波形电压时，首先在控制模块中选择校准器的输出波形类型、极性及幅值，控制模块会将充电电源切换至当前工作波形模块，计算储能电容上的充电电压值后，控制充电直流电源输出电压，充电过程中反馈测量用数字电压表将监测到的储能电容电压值反馈给控制模块，经控制模块判断后给出继续充电信号或者停止充电并发出开关触发动作信号。为保证校准器输出电压的较高准确度，整个校准器系统中的各部件均应保证良好的准确性，其中所采用的直流充电电源为Keithley公司生产的2657A直流源，其直流电压输出准确度可达1/10000，反馈电压测量用数字多用表采用Agilent公司生产的34401A，其直流电压测量不确定度为1×10-5（k=2）。

1.4校准器回路参数设计

为保证冲击电压校准器输出特性优良，除采用准确度高的充电直流电源及反馈测量用数字多用表外，还需选择优良的校准器波形形成回路元器件。其中，电容及电阻器件应选择电压系数小、温度系数小、杂散参数小及长期稳定性好的器件，所有元器件的耐压及通流能力应满足设计要求；其次，为保证校准器良好的带载能力，储能电容CS应具备足够的电容量，且波尾电阻RE阻值不应过大。回路开关K及充电继电器S应选择易于触发控制且动作迅速的元件，开关K参与了校准波形形成回路放电，因此应保证其较小的导通电阻及杂散电感。

一般情况下，冲击电压校准器所带负载数字记录仪及峰值电压表的阻抗为1MΩ，入口电容约为30pF，常用的冲击分压器的阻值为2～10kΩ，因此设计时考虑校准器的最大负载为2kΩ，在设计校准器时要保证当负载为2kΩ时，校准器仍能输出最高额定电压。确定校准器的负载范围后即可根据校准波形的时间参数来仿真计算，确定校准器回路中的储能电容、波头电阻及波尾电阻值。在此基础上，根据现有元器件选择合适的参数搭配，最终使输出波形的时间参数满足预期设计的要求。

2　不确定度分析

通过仿真计算的方式确定校准器各波形形成模块中的元器件参数，其中所研制的1.56μs/60 μs波形形成模块最终确定的参数如表1所示，其输出电压的波头/波尾时间参数T1/T2理论值为1.5417μs/ 59.642 5μs。为验证所设计的冲击电压校准器输出的电压波形及时间波形的不确定度满足预期的设计要求，本文采用理论分析的方式对校准器进行量值溯源，对其输出电压幅值Up的不确定度及时间T1/T2的不确定度进行分析计算。由于校准器波形形成回路中所采用的元器件的数值均通过溯源至中国计量院的阻抗分析仪测定，因此校准器回路参数最终可溯源至元器件的国家标准。

从校准器回路中元器件的参数变化及直流充电电源的充电电压准确性对校准器输出波形的影响，对校准器的输出参数进行不确定度评定与分析。对校准器系统整体结构及校准器回路电路进行分析，得知影响校准器波形参数不确定度的因素主要为以下5个方面：

1）电容的电容值测量、温度系数、电压系数所引起的测量不确定度。

2）电阻的阻值测量以及温度系数所引起的测量不确定度。

3）负载电阻和负载电容的量值测量所引起的测量不确定度。

4）冲击回路中杂散电感所引起的测量不确定度。

5）充电电压所引起的测量不确定度。

根据校准器中元器件的温度系数试验、电压系数试验、长期稳定性试验等试验数据对1）～4）中所列不确定度分量进行评定，分量5）主要由反馈测量用数字电压表的测量准确度引入。影响因素1）～5）的灵敏度系数可通过校准器回路中单个元器件变化导致的输出电压变化程度来进行分析，设定每个元器件的数值变化1%，计算输出波形的幅值、T1和T2变化的百分比，简称灵敏度分析。并考虑各不确定度分量的灵敏度系数和因素各不相关，最终不确定度合成采用方和根。表1中列出了各分量不确定度及各不确定度分量灵敏度的分析计算结果。

表1　1.56μs/60μs冲击电压校准器的不确定度评定

表2　校准器输出特性测试数据

从表中可以看出充电电容CS和波尾电阻RE对参数T2影响较大，放电电容Cb和波头电阻RD对参数T1影响较大，其余参数变化时对波形输出电压参数影响甚小。所研制的1.56μs/60μs校准器幅值测量不确定度为0.08%，时间测量不确定度T1为0.44%，T2为0.40%，达到了预期的设计目标，可以用于准确度等级为1级以上的数字记录仪及冲击峰值表的量值传递。

3　校准器输出特性测试

采用德国Struass/TR-AS200-14数字记录仪对校准器1 000 V-1.56 μs/60μs波形的输出特性进行辅助测量，测试电压为10～1000 V，在每个测试电压点正负极性各测试10次后取平均值，试验数据如表2所示。

表中数据显示校准器输出幅值实测值与理论输出值在各电压点误差＜0.5‰，实测时间参数平均值与理论计算值误差为T1/T2=1‰/2‰，造成幅值及时间参数实测值与理论值误差的原因在于数字记录仪本身的测量误差，电磁环境的影响等。采用数字记录仪所记录的数据用于辅助证明校准器输出特性，在校准器长期稳定性及短时稳定性试验中均会用到。

4　结束语

本文研制了一种可溯源的冲击电压校准器系统，该系统可输出4种不同参数的冲击电压波形，其中雷电波形1.56 μs/60 μs波形的校准器可挂接阻值≥2kΩ的电阻分压器负载。校准器采用性能优良的电阻、电容及开关元器件，保证了校准器整体输出良好的稳定度及线性度。为实现校准器系统的自动调节及控制，基于LabVIEW程序编制了校准器控制系统，可灵活输出10～1000 V范围内的任意幅值电压。还可根据校准器所带负载的不同来计算调节校准器充电电源的电压，保证校准器良好的带载能力。该校准器系统可通过理论分析的方式溯源至各元器件的国家标准，其峰值测量不确定度可达到0.1%，时间测量不确定度可达到0.5%，整体性能参数已达到国际先进水平，可广泛用于冲击峰值表、数字记录仪的校准及电阻分压器刻度因数的标定。

参考文献

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（编辑：刘杨）

Performance analysis for a traceable impulse voltage generator

LI Wenting，LIU Shaobo，LONG Zhaozhi，XIAO Kai，ZONG Xianwei
（China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China）

Abstract:This paper introduces a traceable impulse voltage generator which can generate standard lighting impulse and switch impulse waveforms according to IEC 60060——1：2010. It is used to calibrate the time parameters and peak value for digital recorder and digital peak value voltmeter. The estimated uncertainty for the impulse peak value is less than 0.1% and for time parameters，lass than 0.5%. It can be traced to national compnent standard by theoretical analysis. It can satisfy the parameters calibration requirements of digital voltmeter and digital recorder used for measuring lighting waveform. It is of great practical use and can be used widely in impulse measurement calibration.

Keywords:traceable；standard waveform generator；digital recorder；peak value volmeter

作者简介：李文婷（1987-），女，湖北孝感市人，工程师，硕士，主要从事高电压计量、高电压新技术方面研究工作。

收稿日期：2015-04-19；收到修改稿日期：2015-06-11

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.007

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0031-04