振蕩波高壓發(fā)生器校準方法

韋建 陳功 季萍萍/.江蘇省計量科學研究院；.南京谷貝電氣科技有限公司

0 引言

電纜振蕩波局部放電測量系統(tǒng)按照激勵電源的不同可分為直流激勵式和交流激勵式兩種，本文主要針對直流激勵式系統(tǒng)，其組成如圖1所示，由直流電源、固體開關(guān)、諧振電感、分壓器、限流電阻、數(shù)據(jù)處理與采集單元及被試電纜組成。測量時，將電壓升至測試電壓，固體開關(guān)K對地短路，電纜電容Cx與諧振電感L形成振蕩回路，在電纜上形成振蕩電壓，利用檢測阻抗Zm測量振蕩過程中電纜產(chǎn)生的局部放電。

振蕩波高壓發(fā)生器是振蕩波局部放電測量系統(tǒng)的重要部件，主要由高壓直流電源構(gòu)成，其作用是對電纜試品充壓，使其一定時間內(nèi)達到測試電壓，其性能同時受到測量系統(tǒng)中其他部件的影響，包括固體開關(guān)K導通電阻，諧振電感直流電阻等，對測量結(jié)果具有重要影響。

圖1 直流激勵式電纜振蕩波局部放電測量系統(tǒng)組成

1 振蕩波高壓發(fā)生器的工作原理

振蕩波高壓發(fā)生器直流電源用來對被試電纜進行充電，其基本原理是首先由整流元件將AC220 V的交流電轉(zhuǎn)換成所需的直流電，對此直流電壓進行預調(diào)整和初步穩(wěn)壓來降低線性調(diào)整元件的功耗，提高工作效率，并確保輸出電壓源高精度和高穩(wěn)定，再由線性調(diào)整元件對濾波后的直流電壓進行精細調(diào)整，使輸出電壓達到所需要的值和精度要求，其工作原理如圖2所示。

圖2 直流單元工作原理

2 振蕩波高壓發(fā)生器的技術(shù)指標及要求

2.1 電壓波形

振蕩波前8個周期內(nèi)的幅值衰減不超過最高幅值的50%。

2.2 電壓測量誤差

電壓峰值測量誤差應不大于3%。

2.3 最高輸出電壓

最大試驗電壓峰值不低于電纜額定相電壓的2 倍。

2.4 充電電流

最高電壓下充電電流應不低于8 mA。

2.5 充電時間

在 150 nF負載下，充電時間tf應滿足式（1）要求。

式中：tf——充電時間，ms；

Umax——被校準測量系統(tǒng)最高輸出電壓，kV

3 振蕩波高壓發(fā)生器的校準方法

3.1 電壓波形

系統(tǒng)高壓輸出端及接地端之間并聯(lián)接入負載電容器，標準分壓器的低壓側(cè)接示波器，在80%最大試驗電壓下測量振蕩波波形，頻率應在30～500 Hz范圍內(nèi)，讀取并記錄前8個周期內(nèi)的幅值衰減數(shù)值。

3.2 電壓測量誤差

系統(tǒng)高壓輸出端及接地端之間并聯(lián)接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側(cè)接入示波器，在零到最大試驗電壓下均勻選取5個測量點，讀取并計算電壓峰值測量誤差。

3.3 最高輸出電壓

系統(tǒng)高壓輸出端及接地端之間并聯(lián)接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側(cè)接入示波器，調(diào)整被校準測量系統(tǒng)電源至最高輸出電壓，利用示波器讀取并計算最高輸出值。

3.4 充電電流

系統(tǒng)高壓輸出端及接地端之間并聯(lián)接入負載電容器及負載電阻，在最大試驗電壓下測量流過負載電阻的電流，讀取并記錄電流值。

3.5 充電時間

系統(tǒng)高壓輸出端及接地端之間并聯(lián)接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側(cè)接入示波器，以最快速度將被校準測量系統(tǒng)升至最高輸出電壓，利用示波器記錄升壓過程曲線，按圖3所示讀取并記錄充電時間tf。

圖3 充電時間讀取示意圖

4 校準用標準器具

4.1 負載電容器

負載電容應滿足如下要求：

1）電容量：150 nF±7.5 nF；

2）工作電壓：60 kV；

3）最大工作電壓下局部放電量：小于10 pC。

4.2 標準分壓器

標準分壓器應滿足如下要求：

1）額定電壓：60 kV；

2）響應時間：不大于 100 ns；

3）分壓比允許誤差：±1%。

4.3 數(shù)字示波器或采集卡

數(shù)字示波器或采集卡應滿足如下要求：

1）垂直幅度：±2%；

2）掃描時間：±0.5%；

3）帶寬：不低于 200 MHz；

4）采樣率：不低于 1 GHz。

4.4 負載電阻

負載電阻應滿足如下要求：

1）阻值：不大于5 MΩ；

2）功率：不低于500 W；

3）電阻值允許偏差：±1%。

5 實驗驗證

對國內(nèi)外5家生產(chǎn)單位的振蕩波高壓發(fā)生器進行了校準，各送檢樣品的振蕩波高壓發(fā)生器性能校準結(jié)果匯總見表1

表1 振蕩波高壓發(fā)生器性能校準結(jié)果匯總

5.1 無法校準項目說明

#5送檢設備不顯示具體電壓值，電壓測量誤差項目無法進行校準。

5.2 校準異常項目分析

1）振蕩頻率

在該校準項目上，#1送檢設備與#5送檢設備校準結(jié)果高于標準限值的500 Hz，分別為505 Hz與526 Hz。該項目校準主要考核的是設備的電感容量，如果電感量過小，會導致振蕩頻率過高，超出振蕩波的頻率。

由于所使用校準用電容的電容量存在±5%的誤差，會導致振蕩頻率存在±5 Hz的偏差。因此，標準實際操作中505 Hz的校準結(jié)果可以判定為合格。

2）充電電流

在該校準項目上，#2送檢設備與#4送檢設備校準結(jié)果低于標準限值8 mA，分別為7.4 mA和7.9 mA。

3）充電時間

在該校準項目上，#2送檢設備與#4送檢設備校準結(jié)果明顯高于標準限值的 1 200 ms（Umax=30 kV），分別為 6 700 ms與 2 400 ms，說明其充電能力不足。

6 不確定度分析

振蕩波高壓發(fā)生器電壓的測量結(jié)果不確定度主要由標準分壓器引入的不確定度、示波器輸入端口阻抗引入的不確定度、示波器垂直測量誤差引入的不確定度以及重復測量引入的測量結(jié)果不確定度。經(jīng)計算振蕩波高壓發(fā)生器電壓的擴展不確定度為

U=kuc= 2×0.011 kV=0.022 kV（k= 2）

振蕩波高壓發(fā)生器時間的測量結(jié)果不確定度主要由示波器采樣速率引入的不確定度，示波器時基準確度引入的不確定度以及重復測量引入的測量結(jié)果不確定度，經(jīng)計算振蕩波高壓發(fā)生器時間的擴展不確定度為

7 結(jié)語

本文提出了振蕩波高壓發(fā)生器的主要技術(shù)指標，包括電壓波形、電壓測量誤差、最高輸出電壓、充電電流及充電時間的校準方法，校準用器具及要求，并對所提出的方法進行了試驗驗證。研究結(jié)果表明，本文所提出校準方法可以滿足振蕩波高壓發(fā)生器校準的需求。