李文婷，劉少波，龍兆芝，肖　凱，宗賢偉

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北武漢430074）

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可溯源沖擊電壓校準(zhǔn)器特性研究

李文婷，劉少波，龍兆芝，肖凱，宗賢偉

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，湖北武漢430074）

摘要：介紹一種可溯源的沖擊電壓校準(zhǔn)器，該校準(zhǔn)器可輸出IEC 60060-1——2010《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般定義和試驗(yàn)要求》中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)雷電全波、雷電操作波等4種時(shí)間參數(shù)波形，可作為標(biāo)準(zhǔn)波源對(duì)數(shù)字記錄儀及沖擊峰值表進(jìn)行校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)器可通過(guò)理論分析的方式溯源至各元器件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其輸出電壓峰值不確定度＜0.1%，時(shí)間參數(shù)不確定度＜0.5%，可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)沖擊電壓峰值表及沖擊測(cè)量用數(shù)字記錄儀的幅值及時(shí)間測(cè)量參數(shù)校準(zhǔn)的需求，具有很好的實(shí)用性及較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：可溯源；標(biāo)準(zhǔn)波源；數(shù)字記錄儀；沖擊峰值表

0　引言

沖擊電壓測(cè)量系統(tǒng)包括沖擊分壓器及二次測(cè)量?jī)x表，為保證沖擊電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)定期對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)[1-4]；其中，沖擊二次測(cè)量?jī)x表包括數(shù)字記錄儀及沖擊峰值表[5]，通常采用沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源對(duì)沖擊二次測(cè)量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)。沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源，即可輸出標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)的沖擊電壓波源，主要用于校準(zhǔn)沖擊電壓峰值表及沖擊測(cè)量用數(shù)字記錄儀的幅值及時(shí)間測(cè)量參數(shù)[6]，還可用于標(biāo)定沖擊分壓器的刻度因數(shù)。目前各省計(jì)量院及電科院采用的沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源多為進(jìn)口設(shè)備，如瑞士HAEFELY及德國(guó)Strauss公司生產(chǎn)的校準(zhǔn)波源，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了可溯源沖擊電壓校準(zhǔn)器的研究[7-9]；但國(guó)內(nèi)目前暫無(wú)廠(chǎng)家及科研機(jī)構(gòu)研制準(zhǔn)確度等級(jí)較高的沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源，使用進(jìn)口沖擊波源存在難以溯源及維修困難的問(wèn)題，目前亟需自行研制準(zhǔn)確度等級(jí)較高的沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波源。

1　沖擊電壓校準(zhǔn)器

1.1基本功能

沖擊電壓校準(zhǔn)器作為標(biāo)準(zhǔn)波源既可用于校準(zhǔn)沖擊峰值表及數(shù)字記錄儀，也可對(duì)沖擊分壓器的刻度因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，其設(shè)計(jì)要求主要為輸出沖擊電壓幅值參數(shù)及時(shí)間參數(shù)準(zhǔn)確且穩(wěn)定性好、有較強(qiáng)的帶載能力、輸出電壓有良好的線(xiàn)性度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性、能夠輸出多種參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)波形（如雷電全波、雷電截波及操作波）、能夠輸出不同幅值的電壓。本校準(zhǔn)器波源共包括4種時(shí)間參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)波形，分別為0.84μs/60μs、1.56 μs/60μs、250 μs/2500μs、20μs/4000μs，基本覆蓋了IEC60060-1——2010中規(guī)定的雷電壓標(biāo)準(zhǔn)波形。

目前在電力行業(yè)中廣泛使用的沖擊電壓峰值表的準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)，因此要求校準(zhǔn)用波源的準(zhǔn)確度等級(jí)≥0.3級(jí)，或其輸出幅值的測(cè)量不確定度≤0.3%，才能滿(mǎn)足校準(zhǔn)需求。理論上，沖擊電壓校準(zhǔn)器的輸出電壓值越高越好，但在實(shí)際研制過(guò)程中其輸出電壓多會(huì)受到元器件參數(shù)的限制，本文所研制的校準(zhǔn)器輸出波形峰值電壓為1000 V。

本文研制的校準(zhǔn)器系統(tǒng)包括充電電源、觸發(fā)模塊、校準(zhǔn)波形形成模塊、反饋測(cè)量模塊及控制模塊；其中，控制模塊程序基于LabVIEW編制[10]，安裝于計(jì)算機(jī)中用于控制充電模塊、觸發(fā)模塊及反饋測(cè)量模塊。為保證在校準(zhǔn)過(guò)程中掛接不同試品負(fù)載時(shí)，校準(zhǔn)波源均能輸出預(yù)期的幅值電壓，在校準(zhǔn)器控制模塊中設(shè)計(jì)了計(jì)算環(huán)節(jié)及反饋測(cè)量環(huán)節(jié)，可以根據(jù)每次校準(zhǔn)器所帶負(fù)載情況計(jì)算校準(zhǔn)器中儲(chǔ)能電容上的充電電壓值，并在充電過(guò)程中將校準(zhǔn)器形成回路中主電容上的充電電壓值實(shí)時(shí)反饋給控制模塊。

1.2校準(zhǔn)器電路設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)器模塊如圖1所示，I為充電部分，II為電壓反饋測(cè)量部分，III為標(biāo)準(zhǔn)波形形成回路，IV為輸出電纜及所掛接負(fù)載，V為觸發(fā)模塊。其中，控制模塊用于控制波源中電容的充電幅值、充電時(shí)刻及回路放電時(shí)刻（即給出開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)的時(shí)刻），測(cè)量模塊用于測(cè)量?jī)?chǔ)能電容上的電壓值并實(shí)時(shí)反饋給控制模塊，控制模塊通過(guò)對(duì)反饋電壓值判斷后給出繼續(xù)充電或停止充電的信號(hào)。在主電容兩端并聯(lián)電阻R11、R12支路，使R11與R12構(gòu)成一個(gè)反饋分壓器，并將R12上的電壓反饋至數(shù)字電壓表，用于監(jiān)測(cè)主電容電壓，當(dāng)所監(jiān)測(cè)電壓達(dá)到預(yù)期充電值時(shí)，觸發(fā)回路立刻給出信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)放電。標(biāo)準(zhǔn)波形成回路為一個(gè)單級(jí)的沖擊電壓發(fā)生器回路，由儲(chǔ)能電容CS、波尾電阻RE、波頭電阻RD、放電電容Cb，負(fù)載電容CL、RL，及回路雜散參數(shù)LS、RS組成。當(dāng)儲(chǔ)能電容CS充電完成后，觸發(fā)模塊給開(kāi)關(guān)K發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，開(kāi)關(guān)K立即閉合完成回路的放電，在負(fù)載上即可得到用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波形。

在校準(zhǔn)器主開(kāi)關(guān)K閉合放電的瞬間，需要將儲(chǔ)能電容CS充電支路的開(kāi)關(guān)S切斷，因此在校準(zhǔn)器控制模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮這兩個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作配合的準(zhǔn)確性，若校準(zhǔn)器回路開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，充電回路開(kāi)關(guān)S還未關(guān)斷，這時(shí)主電容上的電壓還在不斷充電，將影響校準(zhǔn)器放電回路的電壓幅值；若儲(chǔ)能電容充電回路開(kāi)關(guān)S關(guān)斷后，主回路開(kāi)關(guān)K滯后閉合，則電容CS上的電壓將會(huì)沿反饋支路電阻R11及R12回路泄放，校準(zhǔn)器回路輸出電壓值將會(huì)低于預(yù)計(jì)值。本文研制的校準(zhǔn)器采用的開(kāi)關(guān)S為繼電器，開(kāi)關(guān)K為MOSFET，為了保證開(kāi)關(guān)S動(dòng)作時(shí)間充分，設(shè)計(jì)給出的兩個(gè)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔設(shè)定為40μs，在保證繼電器S完全斷開(kāi)后，K能夠迅速閉合。

1.3校準(zhǔn)器控制及測(cè)量系統(tǒng)

圖1　校準(zhǔn)器電路圖

在該沖擊電壓校準(zhǔn)器中控制及反饋測(cè)量模塊起著重要的調(diào)節(jié)作用，是保證校準(zhǔn)器系統(tǒng)輸出電壓幅值準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵因素。當(dāng)需要校準(zhǔn)器輸出指定波形電壓時(shí)，首先在控制模塊中選擇校準(zhǔn)器的輸出波形類(lèi)型、極性及幅值，控制模塊會(huì)將充電電源切換至當(dāng)前工作波形模塊，計(jì)算儲(chǔ)能電容上的充電電壓值后，控制充電直流電源輸出電壓，充電過(guò)程中反饋測(cè)量用數(shù)字電壓表將監(jiān)測(cè)到的儲(chǔ)能電容電壓值反饋給控制模塊，經(jīng)控制模塊判斷后給出繼續(xù)充電信號(hào)或者停止充電并發(fā)出開(kāi)關(guān)觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)。為保證校準(zhǔn)器輸出電壓的較高準(zhǔn)確度，整個(gè)校準(zhǔn)器系統(tǒng)中的各部件均應(yīng)保證良好的準(zhǔn)確性，其中所采用的直流充電電源為Keithley公司生產(chǎn)的2657A直流源，其直流電壓輸出準(zhǔn)確度可達(dá)1/10000，反饋電壓測(cè)量用數(shù)字多用表采用Agilent公司生產(chǎn)的34401A，其直流電壓測(cè)量不確定度為1×10-5（k=2）。

1.4校準(zhǔn)器回路參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證沖擊電壓校準(zhǔn)器輸出特性?xún)?yōu)良，除采用準(zhǔn)確度高的充電直流電源及反饋測(cè)量用數(shù)字多用表外，還需選擇優(yōu)良的校準(zhǔn)器波形形成回路元器件。其中，電容及電阻器件應(yīng)選擇電壓系數(shù)小、溫度系數(shù)小、雜散參數(shù)小及長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的器件，所有元器件的耐壓及通流能力應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；其次，為保證校準(zhǔn)器良好的帶載能力，儲(chǔ)能電容CS應(yīng)具備足夠的電容量，且波尾電阻RE阻值不應(yīng)過(guò)大?；芈烽_(kāi)關(guān)K及充電繼電器S應(yīng)選擇易于觸發(fā)控制且動(dòng)作迅速的元件，開(kāi)關(guān)K參與了校準(zhǔn)波形形成回路放電，因此應(yīng)保證其較小的導(dǎo)通電阻及雜散電感。

一般情況下，沖擊電壓校準(zhǔn)器所帶負(fù)載數(shù)字記錄儀及峰值電壓表的阻抗為1MΩ，入口電容約為30pF，常用的沖擊分壓器的阻值為2～10kΩ，因此設(shè)計(jì)時(shí)考慮校準(zhǔn)器的最大負(fù)載為2kΩ，在設(shè)計(jì)校準(zhǔn)器時(shí)要保證當(dāng)負(fù)載為2kΩ時(shí)，校準(zhǔn)器仍能輸出最高額定電壓。確定校準(zhǔn)器的負(fù)載范圍后即可根據(jù)校準(zhǔn)波形的時(shí)間參數(shù)來(lái)仿真計(jì)算，確定校準(zhǔn)器回路中的儲(chǔ)能電容、波頭電阻及波尾電阻值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有元器件選擇合適的參數(shù)搭配，最終使輸出波形的時(shí)間參數(shù)滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。

2　不確定度分析

通過(guò)仿真計(jì)算的方式確定校準(zhǔn)器各波形形成模塊中的元器件參數(shù)，其中所研制的1.56μs/60 μs波形形成模塊最終確定的參數(shù)如表1所示，其輸出電壓的波頭/波尾時(shí)間參數(shù)T1/T2理論值為1.5417μs/ 59.642 5μs。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的沖擊電壓校準(zhǔn)器輸出的電壓波形及時(shí)間波形的不確定度滿(mǎn)足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，本文采用理論分析的方式對(duì)校準(zhǔn)器進(jìn)行量值溯源，對(duì)其輸出電壓幅值Up的不確定度及時(shí)間T1/T2的不確定度進(jìn)行分析計(jì)算。由于校準(zhǔn)器波形形成回路中所采用的元器件的數(shù)值均通過(guò)溯源至中國(guó)計(jì)量院的阻抗分析儀測(cè)定，因此校準(zhǔn)器回路參數(shù)最終可溯源至元器件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

從校準(zhǔn)器回路中元器件的參數(shù)變化及直流充電電源的充電電壓準(zhǔn)確性對(duì)校準(zhǔn)器輸出波形的影響，對(duì)校準(zhǔn)器的輸出參數(shù)進(jìn)行不確定度評(píng)定與分析。對(duì)校準(zhǔn)器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及校準(zhǔn)器回路電路進(jìn)行分析，得知影響校準(zhǔn)器波形參數(shù)不確定度的因素主要為以下5個(gè)方面：

1）電容的電容值測(cè)量、溫度系數(shù)、電壓系數(shù)所引起的測(cè)量不確定度。

2）電阻的阻值測(cè)量以及溫度系數(shù)所引起的測(cè)量不確定度。

3）負(fù)載電阻和負(fù)載電容的量值測(cè)量所引起的測(cè)量不確定度。

4）沖擊回路中雜散電感所引起的測(cè)量不確定度。

5）充電電壓所引起的測(cè)量不確定度。

根據(jù)校準(zhǔn)器中元器件的溫度系數(shù)試驗(yàn)、電壓系數(shù)試驗(yàn)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性試驗(yàn)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)1）～4）中所列不確定度分量進(jìn)行評(píng)定，分量5）主要由反饋測(cè)量用數(shù)字電壓表的測(cè)量準(zhǔn)確度引入。影響因素1）～5）的靈敏度系數(shù)可通過(guò)校準(zhǔn)器回路中單個(gè)元器件變化導(dǎo)致的輸出電壓變化程度來(lái)進(jìn)行分析，設(shè)定每個(gè)元器件的數(shù)值變化1%，計(jì)算輸出波形的幅值、T1和T2變化的百分比，簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度分析。并考慮各不確定度分量的靈敏度系數(shù)和因素各不相關(guān)，最終不確定度合成采用方和根。表1中列出了各分量不確定度及各不確定度分量靈敏度的分析計(jì)算結(jié)果。

表1　1.56μs/60μs沖擊電壓校準(zhǔn)器的不確定度評(píng)定

表2　校準(zhǔn)器輸出特性測(cè)試數(shù)據(jù)

從表中可以看出充電電容CS和波尾電阻RE對(duì)參數(shù)T2影響較大，放電電容Cb和波頭電阻RD對(duì)參數(shù)T1影響較大，其余參數(shù)變化時(shí)對(duì)波形輸出電壓參數(shù)影響甚小。所研制的1.56μs/60μs校準(zhǔn)器幅值測(cè)量不確定度為0.08%，時(shí)間測(cè)量不確定度T1為0.44%，T2為0.40%，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以用于準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)以上的數(shù)字記錄儀及沖擊峰值表的量值傳遞。

3　校準(zhǔn)器輸出特性測(cè)試

采用德國(guó)Struass/TR-AS200-14數(shù)字記錄儀對(duì)校準(zhǔn)器1 000 V-1.56 μs/60μs波形的輸出特性進(jìn)行輔助測(cè)量，測(cè)試電壓為10～1000 V，在每個(gè)測(cè)試電壓點(diǎn)正負(fù)極性各測(cè)試10次后取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表中數(shù)據(jù)顯示校準(zhǔn)器輸出幅值實(shí)測(cè)值與理論輸出值在各電壓點(diǎn)誤差＜0.5‰，實(shí)測(cè)時(shí)間參數(shù)平均值與理論計(jì)算值誤差為T(mén)1/T2=1‰/2‰，造成幅值及時(shí)間參數(shù)實(shí)測(cè)值與理論值誤差的原因在于數(shù)字記錄儀本身的測(cè)量誤差，電磁環(huán)境的影響等。采用數(shù)字記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)用于輔助證明校準(zhǔn)器輸出特性，在校準(zhǔn)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短時(shí)穩(wěn)定性試驗(yàn)中均會(huì)用到。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一種可溯源的沖擊電壓校準(zhǔn)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可輸出4種不同參數(shù)的沖擊電壓波形，其中雷電波形1.56 μs/60 μs波形的校準(zhǔn)器可掛接阻值≥2kΩ的電阻分壓器負(fù)載。校準(zhǔn)器采用性能優(yōu)良的電阻、電容及開(kāi)關(guān)元器件，保證了校準(zhǔn)器整體輸出良好的穩(wěn)定度及線(xiàn)性度。為實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)器系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制，基于LabVIEW程序編制了校準(zhǔn)器控制系統(tǒng)，可靈活輸出10～1000 V范圍內(nèi)的任意幅值電壓。還可根據(jù)校準(zhǔn)器所帶負(fù)載的不同來(lái)計(jì)算調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器充電電源的電壓，保證校準(zhǔn)器良好的帶載能力。該校準(zhǔn)器系統(tǒng)可通過(guò)理論分析的方式溯源至各元器件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其峰值測(cè)量不確定度可達(dá)到0.1%，時(shí)間測(cè)量不確定度可達(dá)到0.5%，整體性能參數(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可廣泛用于沖擊峰值表、數(shù)字記錄儀的校準(zhǔn)及電阻分壓器刻度因數(shù)的標(biāo)定。

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（編輯：劉楊）

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

作者簡(jiǎn)介：李文婷（1987-），女，湖北孝感市人，工程師，碩士，主要從事高電壓計(jì)量、高電壓新技術(shù)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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）01-0031-04