局部放电校准器标准测量系统的研制及校验

2021-03-04周力任

计量学报 2021年12期

潘洋，施豪，耿骥，秦毅，周力任，朱力，林艳

(上海市计量测试技术研究院，上海 201203)

1 引言

在进行高压试品局部放电电荷量的检测时，通常局部放电的真实放电量是无法直接测量的，需要通过对局部放电视在电荷量的测量来估计局部放电水平[1～6]。对试品的局部放电进行定量测量，需首先用局部放电校准器对整个高压回路进行标定，局部放电量校准器就是局部放电视在电荷测量系统进行校正时所使用的等效视在放电量发生装置。局部放电校准器所复现的电荷量是局部放电测量准确与否的重要保证。视在电荷量被列入了国际计量局电磁计量领域校准测量能力(CMC)的关键参数，是局部放电检测中的基本量传单位。

校准器通常包括阶跃电压发生器和分度电容器两部分，阶跃电压发生器通过与其串联的分度电容器向局部放电检测回路注入特定波形的标准电荷量，从而实现对局部放电测试仪电荷量刻度因数的校准[7～9]。

传统方法对局部放电校准器的计量采用分立元件法，即分别测量局部放电校准器内置的方波电压和注入电容，将二者的乘积作为局部放电校准器的标定结果[10]。这种分立元件标定方法存在以下问题：首先，为了测量阶跃电压和分度电容必须需将被检局部放电校准器外壳打开，寻找阶跃电压输出端子和分度电容端子，如果无法打开仪器便难以通过分立元件法进行测量。即使打开仪器，有时仍然难以确定对应测量端。其次，分度电容量通常为皮法级小电容，且多不具有屏蔽电极，杂散参数影响较大，无法精确测量回路的等效分度电容，测量不确定度较大。

局部放电校准器是确定局部放电测量系统刻度因数的标准器。IEC 60270—2000《局部放电测量》标准中提出校准器的首次性能试验应溯源到国家标准，采用对局部放电校准器测量回路电流积分的方法，对其输出的电荷量进行直接溯源[11]。该方法将校准器视为一个整体的电荷源，脉冲输出波形能反映其电路内部的电感、电容等分布参数，无需打开仪器的外壳，符合仪器的实际使用条件和状态，计量方法相比于元件测量法更为先进。

2 校准器积分电路测量原理

图1 积分法计量局部放电校准器原理线路Fig.1 Principle circuit of integration method for calibration of partial discharge calibrator

积分法计量局部放电校准器的原理线路可用图1说明。图1中U为阶跃电压；C0为分度电容；R1，L1和C1可等效为连接局部放电校准器输出至数字示波器输入端的连接电缆的分布参数和示波器的入口电容[12～14]。积分电阻可以选择示波器内置50 Ω匹配电阻，也可外接高频同轴电阻。如果选择示波器内置50 Ω电阻，一般示波器的最大量程仅为1 V/div；如果需要测量50 nC以上的电荷量，可外接50 Ω的同轴衰减器进行量程扩展。

根据图1可知：

i0=i1+iR

稳态时C1两端电压为零，则有：

式中：i0为流过分度电容的电流；i1为流过示波器入口电容的电流；iR为流过采样电阻两端的电流；u0为分度电容两端电压；u1为示波器入口电容两端电压。

计算中可以看出，虽然采样电阻两端的电流iR与流过分度电容的电流i0不同，但是稳态时分度电容所生成的电荷量全部注入采样电阻。这表明同轴电缆分布参数不会影响积分法的测量结果，即计量结果与同轴电缆的长度无关。

3 校准回路参数仿真

数字示波器1 MΩ的输入阻抗入口电容约为 14 pF左右，若用示波器内部50 Ω匹配，则入口电容几乎为零。为验证回路各参数对测量结果波形的影响，通过仿真分别改变分度电容量、示波器积分电阻以及连接电缆的参数，观察积分电阻上的电压波形与测量结果。

图2 仿真波形图Fig.2 Fig.2 Simulation waveform

假定50 Ω波阻抗射频同轴连接电缆等效电阻约为0.05 Ω/m，等效电感为0.1 μH/m，对地电容为40 pF/m，阶跃信号发生器的幅值为10 V。分别改变连接电缆的长度、分度电容量、采样电阻大小以及阶跃电压发生器源内阻大小，仿真波形如图2所示。仿真结果表明：在通常测量状态下，同轴电缆的长度虽然不会影响电荷量的测量结果，但是由于电缆的电感会在回路引起波形震荡，因此较长的电缆需要更长的稳定时间；积分电阻上的波形与积分电阻阻值、源内阻阻值以及注入电容容量大小密切相关， 1 m长的射频同轴电缆，注入电容为10 pF可能会造成积分电阻上波形的严重震荡，源内阻越小，震荡越明显且无法通过增加积分电阻的阻值抑制震荡；如果源内阻为50 Ω时，基本积分电阻上的波形均较为平滑，波形与阻值大小基本无关，积分电阻越大，波形幅值越大，选用50 Ω的积分阻值即可得到较为理想的波形信噪比。

4 测量系统标定方法

标准电荷量从计量学角度是溯源到电流和时间的，通过对电荷量测量系统注入规定时间的直流电流即可精确标定电荷量参数[15～17]。电荷量值大小不同，示波器测量档位均不相同，标定是按档位分别注入不同的直流电流来实现的。实践中采用KEITHLEY公司生产的具有峰值电流0.4 fA超低噪声的6430型静电计，输出不同大小的直流电流进行标定。从10 μA到10 mA范围，6430型静电计的直流电流测量准确度优于0.05%。

因电荷量极性存在正负，标定应根据极性不同分开计量。试验的示波器型号为TEK公司生产的TDS5054数字示波器，其最高采样率为5 GSa/s，带宽500 MHz。测量中采用平均模式，平均次数为64次。示波器垂直分辨率满屏为8 div，每次测量时波形显示最小为2 div，最大时为6 div。完整的显示电荷量波形的水平时基与被测电荷量大小有关，但通常约为40～100 ns左右，以示波器200 mV/div为例，设定水平时基80 ns/div，示波器积分测量的修正系数计算如表1所示。校准步骤为：

(1) 依极性不同分别设定示波器的初始基线为+3 div(负极性)和-3 div(正极性)；

(2) 设定示波器的输入电阻为50 Ω匹配；

(3) 保存初始基线的偏移量作为参考；

(4) 设定示波器的存储深度为100 k采样点；

(5) 6430输出相应的直流电流I；

(6) 定义示波器数学测量功能为

(7) 设定示波器测量区间为ΔT=80 ns(实际测量时的触发位置为20%水平时基，即160～240 ns)；

(8) 根据理论真值I·ΔT去修正数学测量中的修正系数K以使测量结果逼近理论真值；

(9) 改变6430型静电计的输出电流，分别覆盖200 mV/div档位下的2～6 div(4～24 mA)，得到在同一档位正负极性下不同垂直显示区间的修正系数，取其平均值作为该档位测量的积分修正值；对示波器各档位下依次重复进行上述标定过程，得到各档位对应的积分修正值(表2)，完整的修正系数(含正负极性)及各档位修正系数均值如图3所示。

表1 200 mV/div下示波器积分测量的修正系数计算Tab.1 Integral correction coefficient calculation of 200 mV/div range

表2 示波器各档位积分修正系数均值Tab.2 Average value of integral correction coefficient of oscilloscope

图3 示波器各档位积分修正系数及均值Fig.3 Integral correction coefficient and average value of each gear of oscilloscope

5 测量不确定度评定及能力验证

上述操作步骤可通过测量软件控制数字示波器进行自动化测量，根据修正系数直接得到测量结果，修正系数是对测量系统的整体校验，其中包含了对积分电阻、积分算法以及量程和线性度的修正。充分利用示波器内置50 Ω的阻抗匹配，将其作为积分电阻而无需外置单个积分电阻可较好地避免波形震荡和杂散参数的影响，整个测量回路同轴屏蔽[18～21]。

对100 pC的局部放电校准器进行测量不确定度评定，测量结果如图4所示，图中的两条曲线分别表示分度电容电流瞬时值以及对应该电流进行积分的电荷量稳态终值。各不确定度分量的影响量评估如表3所示。