振荡波高压发生器校准方法

韦建 陈功 季萍萍/.江苏省计量科学研究院；.南京谷贝电气科技有限公司

0 引言

电缆振荡波局部放电测量系统按照激励电源的不同可分为直流激励式和交流激励式两种，本文主要针对直流激励式系统，其组成如图1所示，由直流电源、固体开关、谐振电感、分压器、限流电阻、数据处理与采集单元及被试电缆组成。测量时，将电压升至测试电压，固体开关K对地短路，电缆电容Cx与谐振电感L形成振荡回路，在电缆上形成振荡电压，利用检测阻抗Zm测量振荡过程中电缆产生的局部放电。

振荡波高压发生器是振荡波局部放电测量系统的重要部件，主要由高压直流电源构成，其作用是对电缆试品充压，使其一定时间内达到测试电压，其性能同时受到测量系统中其他部件的影响，包括固体开关K导通电阻，谐振电感直流电阻等，对测量结果具有重要影响。

图1 直流激励式电缆振荡波局部放电测量系统组成

1 振荡波高压发生器的工作原理

振荡波高压发生器直流电源用来对被试电缆进行充电，其基本原理是首先由整流元件将AC220 V的交流电转换成所需的直流电，对此直流电压进行预调整和初步稳压来降低线性调整元件的功耗，提高工作效率，并确保输出电压源高精度和高稳定，再由线性调整元件对滤波后的直流电压进行精细调整，使输出电压达到所需要的值和精度要求，其工作原理如图2所示。

图2 直流单元工作原理

2 振荡波高压发生器的技术指标及要求

2.1 电压波形

振荡波前8个周期内的幅值衰减不超过最高幅值的50%。

2.2 电压测量误差

电压峰值测量误差应不大于3%。

2.3 最高输出电压

最大试验电压峰值不低于电缆额定相电压的2 倍。

2.4 充电电流

最高电压下充电电流应不低于8 mA。

2.5 充电时间

在 150 nF负载下，充电时间tf应满足式（1）要求。

式中：tf——充电时间，ms；

Umax——被校准测量系统最高输出电压，kV

3 振荡波高压发生器的校准方法

3.1 电压波形

系统高压输出端及接地端之间并联接入负载电容器，标准分压器的低压侧接示波器，在80%最大试验电压下测量振荡波波形，频率应在30～500 Hz范围内，读取并记录前8个周期内的幅值衰减数值。

3.2 电压测量误差

系统高压输出端及接地端之间并联接入负载电容器及标准分压器，将分压器低压侧接入示波器，在零到最大试验电压下均匀选取5个测量点，读取并计算电压峰值测量误差。

3.3 最高输出电压

系统高压输出端及接地端之间并联接入负载电容器及标准分压器，将分压器低压侧接入示波器，调整被校准测量系统电源至最高输出电压，利用示波器读取并计算最高输出值。

3.4 充电电流

系统高压输出端及接地端之间并联接入负载电容器及负载电阻，在最大试验电压下测量流过负载电阻的电流，读取并记录电流值。

3.5 充电时间

系统高压输出端及接地端之间并联接入负载电容器及标准分压器，将分压器低压侧接入示波器，以最快速度将被校准测量系统升至最高输出电压，利用示波器记录升压过程曲线，按图3所示读取并记录充电时间tf。

图3 充电时间读取示意图

4 校准用标准器具

4.1 负载电容器

负载电容应满足如下要求：

1）电容量：150 nF±7.5 nF；

2）工作电压：60 kV；

3）最大工作电压下局部放电量：小于10 pC。

4.2 标准分压器

标准分压器应满足如下要求：

1）额定电压：60 kV；

2）响应时间：不大于 100 ns；

3）分压比允许误差：±1%。

4.3 数字示波器或采集卡

数字示波器或采集卡应满足如下要求：

1）垂直幅度：±2%；

2）扫描时间：±0.5%；

3）带宽：不低于 200 MHz；

4）采样率：不低于 1 GHz。

4.4 负载电阻

负载电阻应满足如下要求：

1）阻值：不大于5 MΩ；

2）功率：不低于500 W；

3）电阻值允许偏差：±1%。

5 实验验证

对国内外5家生产单位的振荡波高压发生器进行了校准，各送检样品的振荡波高压发生器性能校准结果汇总见表1

表1 振荡波高压发生器性能校准结果汇总

5.1 无法校准项目说明

#5送检设备不显示具体电压值，电压测量误差项目无法进行校准。

5.2 校准异常项目分析

1）振荡频率

在该校准项目上，#1送检设备与#5送检设备校准结果高于标准限值的500 Hz，分别为505 Hz与526 Hz。该项目校准主要考核的是设备的电感容量，如果电感量过小，会导致振荡频率过高，超出振荡波的频率。

由于所使用校准用电容的电容量存在±5%的误差，会导致振荡频率存在±5 Hz的偏差。因此，标准实际操作中505 Hz的校准结果可以判定为合格。

2）充电电流

在该校准项目上，#2送检设备与#4送检设备校准结果低于标准限值8 mA，分别为7.4 mA和7.9 mA。

3）充电时间

在该校准项目上，#2送检设备与#4送检设备校准结果明显高于标准限值的 1 200 ms（Umax=30 kV），分别为 6 700 ms与 2 400 ms，说明其充电能力不足。

6 不确定度分析

振荡波高压发生器电压的测量结果不确定度主要由标准分压器引入的不确定度、示波器输入端口阻抗引入的不确定度、示波器垂直测量误差引入的不确定度以及重复测量引入的测量结果不确定度。经计算振荡波高压发生器电压的扩展不确定度为

U=kuc= 2×0.011 kV=0.022 kV（k= 2）

振荡波高压发生器时间的测量结果不确定度主要由示波器采样速率引入的不确定度，示波器时基准确度引入的不确定度以及重复测量引入的测量结果不确定度，经计算振荡波高压发生器时间的扩展不确定度为

7 结语

本文提出了振荡波高压发生器的主要技术指标，包括电压波形、电压测量误差、最高输出电压、充电电流及充电时间的校准方法，校准用器具及要求，并对所提出的方法进行了试验验证。研究结果表明，本文所提出校准方法可以满足振荡波高压发生器校准的需求。