振蕩波高壓發生器校準方法

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，其組成如圖1所示，由直流電源、固體開關、諧振電感、分壓器、限流電阻、數據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生的局部放電。

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

圖1 直流激勵式電纜振蕩波局部放電測量系統組成

1 振蕩波高壓發生器的工作原理

振蕩波高壓發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的交流電轉換成所需的直流電，對此直流電壓進行預調整和初步穩壓來降低線性調整元件的功耗，提高工作效率，并確保輸出電壓源高精度和高穩定，再由線性調整元件對濾波后的直流電壓進行精細調整，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 振蕩波高壓發生器的技術指標及要求

2.1 電壓波形

振蕩波前8個周期內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——被校準測量系統最高輸出電壓，kV

3 振蕩波高壓發生器的校準方法

3.1 電壓波形

系統高壓輸出端及接地端之間并聯接入負載電容器，標準分壓器的低壓側接示波器，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，讀取并記錄前8個周期內的幅值衰減數值。

3.2 電壓測量誤差

系統高壓輸出端及接地端之間并聯接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側接入示波器，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

系統高壓輸出端及接地端之間并聯接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側接入示波器，調整被校準測量系統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

系統高壓輸出端及接地端之間并聯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

系統高壓輸出端及接地端之間并聯接入負載電容器及標準分壓器，將分壓器低壓側接入示波器，以最快速度將被校準測量系統升至最高輸出電壓，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 數字示波器或采集卡

數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

對國內外5家生產單位的振蕩波高壓發生器進行了校準，各送檢樣品的振蕩波高壓發生器性能校準結果匯總見表1

表1 振蕩波高壓發生器性能校準結果匯總

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

振蕩波高壓發生器電壓的測量結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果不確定度。經計算振蕩波高壓發生器電壓的擴展不確定度為

U=kuc= 2×0.011 kV=0.022 kV（k= 2）

振蕩波高壓發生器時間的測量結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果不確定度，經計算振蕩波高壓發生器時間的擴展不確定度為

7 結語

本文提出了振蕩波高壓發生器的主要技術指標，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。研究結果表明，本文所提出校準方法可以滿足振蕩波高壓發生器校準的需求。