潘 洋， 施 豪， 耿 驥， 秦 毅，周力任， 朱 力， 林 艷

(上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203)

1 引 言

在進行高壓試品局部放電電荷量的檢測時，通常局部放電的真實放電量是無法直接測量的，需要通過對局部放電視在電荷量的測量來估計局部放電水平[1～6]。對試品的局部放電進行定量測量，需首先用局部放電校準器對整個高壓回路進行標定，局部放電量校準器就是局部放電視在電荷測量系統(tǒng)進行校正時所使用的等效視在放電量發(fā)生裝置。局部放電校準器所復現(xiàn)的電荷量是局部放電測量準確與否的重要保證。視在電荷量被列入了國際計量局電磁計量領(lǐng)域校準測量能力(CMC)的關(guān)鍵參數(shù)，是局部放電檢測中的基本量傳單位。

校準器通常包括階躍電壓發(fā)生器和分度電容器兩部分，階躍電壓發(fā)生器通過與其串聯(lián)的分度電容器向局部放電檢測回路注入特定波形的標準電荷量，從而實現(xiàn)對局部放電測試儀電荷量刻度因數(shù)的校準[7～9]。

傳統(tǒng)方法對局部放電校準器的計量采用分立元件法，即分別測量局部放電校準器內(nèi)置的方波電壓和注入電容，將二者的乘積作為局部放電校準器的標定結(jié)果[10]。這種分立元件標定方法存在以下問題：首先，為了測量階躍電壓和分度電容必須需將被檢局部放電校準器外殼打開，尋找階躍電壓輸出端子和分度電容端子，如果無法打開儀器便難以通過分立元件法進行測量。即使打開儀器，有時仍然難以確定對應測量端。其次，分度電容量通常為皮法級小電容，且多不具有屏蔽電極，雜散參數(shù)影響較大，無法精確測量回路的等效分度電容，測量不確定度較大。

局部放電校準器是確定局部放電測量系統(tǒng)刻度因數(shù)的標準器。IEC 60270—2000《局部放電測量》標準中提出校準器的首次性能試驗應溯源到國家標準，采用對局部放電校準器測量回路電流積分的方法，對其輸出的電荷量進行直接溯源[11]。該方法將校準器視為一個整體的電荷源，脈沖輸出波形能反映其電路內(nèi)部的電感、電容等分布參數(shù)，無需打開儀器的外殼，符合儀器的實際使用條件和狀態(tài)，計量方法相比于元件測量法更為先進。

2 校準器積分電路測量原理

圖1 積分法計量局部放電校準器原理線路Fig.1 Principle circuit of integration method for calibration of partial discharge calibrator

積分法計量局部放電校準器的原理線路可用圖1說明。圖1中U為階躍電壓；C0為分度電容；R1，L1和C1可等效為連接局部放電校準器輸出至數(shù)字示波器輸入端的連接電纜的分布參數(shù)和示波器的入口電容[12～14]。積分電阻可以選擇示波器內(nèi)置50 Ω匹配電阻，也可外接高頻同軸電阻。如果選擇示波器內(nèi)置50 Ω電阻，一般示波器的最大量程僅為1 V/div；如果需要測量50 nC以上的電荷量，可外接50 Ω的同軸衰減器進行量程擴展。

根據(jù)圖1可知：

i0=i1+iR

穩(wěn)態(tài)時C1兩端電壓為零，則有：

式中：i0為流過分度電容的電流；i1為流過示波器入口電容的電流；iR為流過采樣電阻兩端的電流；u0為分度電容兩端電壓；u1為示波器入口電容兩端電壓。

計算中可以看出，雖然采樣電阻兩端的電流iR與流過分度電容的電流i0不同，但是穩(wěn)態(tài)時分度電容所生成的電荷量全部注入采樣電阻。這表明同軸電纜分布參數(shù)不會影響積分法的測量結(jié)果，即計量結(jié)果與同軸電纜的長度無關(guān)。

3 校準回路參數(shù)仿真

數(shù)字示波器1 MΩ的輸入阻抗入口電容約為 14 pF左右，若用示波器內(nèi)部50 Ω匹配，則入口電容幾乎為零。為驗證回路各參數(shù)對測量結(jié)果波形的影響，通過仿真分別改變分度電容量、示波器積分電阻以及連接電纜的參數(shù)，觀察積分電阻上的電壓波形與測量結(jié)果。

圖2 仿真波形圖Fig.2 Fig.2 Simulation waveform

假定50 Ω波阻抗射頻同軸連接電纜等效電阻約為0.05 Ω/m，等效電感為0.1 μH/m，對地電容為40 pF/m，階躍信號發(fā)生器的幅值為10 V。分別改變連接電纜的長度、分度電容量、采樣電阻大小以及階躍電壓發(fā)生器源內(nèi)阻大小，仿真波形如圖2所示。仿真結(jié)果表明：在通常測量狀態(tài)下，同軸電纜的長度雖然不會影響電荷量的測量結(jié)果，但是由于電纜的電感會在回路引起波形震蕩，因此較長的電纜需要更長的穩(wěn)定時間；積分電阻上的波形與積分電阻阻值、源內(nèi)阻阻值以及注入電容容量大小密切相關(guān)， 1 m長的射頻同軸電纜，注入電容為10 pF可能會造成積分電阻上波形的嚴重震蕩，源內(nèi)阻越小，震蕩越明顯且無法通過增加積分電阻的阻值抑制震蕩；如果源內(nèi)阻為50 Ω時，基本積分電阻上的波形均較為平滑，波形與阻值大小基本無關(guān)，積分電阻越大，波形幅值越大，選用50 Ω的積分阻值即可得到較為理想的波形信噪比。

4 測量系統(tǒng)標定方法

標準電荷量從計量學角度是溯源到電流和時間的，通過對電荷量測量系統(tǒng)注入規(guī)定時間的直流電流即可精確標定電荷量參數(shù)[15～17]。電荷量值大小不同，示波器測量檔位均不相同，標定是按檔位分別注入不同的直流電流來實現(xiàn)的。實踐中采用KEITHLEY公司生產(chǎn)的具有峰值電流0.4 fA超低噪聲的6430型靜電計，輸出不同大小的直流電流進行標定。從10 μA到10 mA范圍，6430型靜電計的直流電流測量準確度優(yōu)于0.05%。

因電荷量極性存在正負，標定應根據(jù)極性不同分開計量。試驗的示波器型號為TEK公司生產(chǎn)的TDS5054數(shù)字示波器，其最高采樣率為5 GSa/s，帶寬500 MHz。測量中采用平均模式，平均次數(shù)為64次。示波器垂直分辨率滿屏為8 div，每次測量時波形顯示最小為2 div，最大時為6 div。完整的顯示電荷量波形的水平時基與被測電荷量大小有關(guān)，但通常約為40～100 ns左右，以示波器200 mV/div為例，設(shè)定水平時基80 ns/div，示波器積分測量的修正系數(shù)計算如表1所示。校準步驟為：

(1) 依極性不同分別設(shè)定示波器的初始基線為+3 div(負極性)和-3 div(正極性)；

(2) 設(shè)定示波器的輸入電阻為50 Ω匹配；

(3) 保存初始基線的偏移量作為參考；

(4) 設(shè)定示波器的存儲深度為100 k采樣點；

(5) 6430輸出相應的直流電流I；

(6) 定義示波器數(shù)學測量功能為

(7) 設(shè)定示波器測量區(qū)間為ΔT=80 ns(實際測量時的觸發(fā)位置為20%水平時基，即160～240 ns)；

(8) 根據(jù)理論真值I·ΔT去修正數(shù)學測量中的修正系數(shù)K以使測量結(jié)果逼近理論真值；

(9) 改變6430型靜電計的輸出電流，分別覆蓋200 mV/div檔位下的2～6 div(4～24 mA)，得到在同一檔位正負極性下不同垂直顯示區(qū)間的修正系數(shù)，取其平均值作為該檔位測量的積分修正值；對示波器各檔位下依次重復進行上述標定過程，得到各檔位對應的積分修正值(表2)，完整的修正系數(shù)(含正負極性)及各檔位修正系數(shù)均值如圖3所示。

表1 200 mV/div下示波器積分測量的修正系數(shù)計算Tab.1 Integral correction coefficient calculation of 200 mV/div range

表2 示波器各檔位積分修正系數(shù)均值Tab.2 Average value of integral correction coefficient of oscilloscope

圖3 示波器各檔位積分修正系數(shù)及均值Fig.3 Integral correction coefficient and average value of each gear of oscilloscope

5 測量不確定度評定及能力驗證

上述操作步驟可通過測量軟件控制數(shù)字示波器進行自動化測量，根據(jù)修正系數(shù)直接得到測量結(jié)果，修正系數(shù)是對測量系統(tǒng)的整體校驗，其中包含了對積分電阻、積分算法以及量程和線性度的修正。充分利用示波器內(nèi)置50 Ω的阻抗匹配，將其作為積分電阻而無需外置單個積分電阻可較好地避免波形震蕩和雜散參數(shù)的影響，整個測量回路同軸屏蔽[18～21]。

對100 pC的局部放電校準器進行測量不確定度評定，測量結(jié)果如圖4所示，圖中的兩條曲線分別表示分度電容電流瞬時值以及對應該電流進行積分的電荷量穩(wěn)態(tài)終值。各不確定度分量的影響量評估如表3所示。

表3 測量不確定度分量評估(修正系數(shù)K=1.009 5)Tab.3 Measurement uncertainty contribution evaluation(K=1.009 5) (%)

圖4 校準器輸出100 pC時測量結(jié)果Fig.4 Measurement result of 100 pC nominal value of partial discharge calibrator output

項目研制的電荷量測量系統(tǒng)與中國計量科學研究院在1～1 000 pC開展了能力驗證，結(jié)果表明該參考測量系統(tǒng)滿足了局部放電校準器檢定規(guī)程對于2級局部放電校準器檢定能力的要求[22-24]。

6 結(jié) 論

傳統(tǒng)的分立元件法因分度電容量難以精確測量，受雜散參數(shù)影響較大等缺陷無法可靠計量局部放電電荷量。電流積分法通過對回路電流進行數(shù)字積分，對其輸出的電荷量進行直接溯源，可以反映測量回路電感和等效電容，符合儀器的實際使用條件和狀態(tài)。

仿真結(jié)果表明同軸電纜的長度雖然不會影響電荷量的測量結(jié)果，但電纜的電感會在回路引起波形震蕩，積分電阻上的波形與積分電阻阻值、源內(nèi)阻阻值以及注入電容容量大小密切相關(guān)，選用50 Ω的積分阻值通?？傻玫捷^為理想的波形信噪比。

本文采用數(shù)字示波器50 Ω匹配，并在實際測量中通過直流小電流源注入法修正了數(shù)字示波器各檔位的直流偏置和采樣修正系數(shù)，測量結(jié)果的不確定度評定表明本文研制的局部放電校準器檢定裝置的檢定能力可以滿足規(guī)程中對最高等級局部放電校準器輸出電荷量的檢定要求。