局部放电测量仪校准装置的研制与应用

摘要：局部放电测量仪校准装置是根据国家计量标准和高新科学技术设计和研制而成的，采用虚拟数据采集技术，进行数字积分，按照q=It的方法来实现对局部放电(电量单位：皮库(pC))的测量。该校准装置能够按照标准的规定对局部放电测量仪进行全面的校准，具有半智能化、精度高、感应灵敏、操作方便等优点，对于提高电器产品的安全性能和产品质量很有帮助，是一种应用广泛的重要安全试验仪器。
关键词：校准装置；数据采集技术；半智能化；产品质量

    局部放电测量仪校准装置是根据国家计量标准设计和研制的，其各项技术指标均符合国家标准研究的要求。本机的创新在于采用It(脉冲电流对时间积分)的方法测量局部放电量，以虚拟仪器代替传统示波器。采用高新科学技术已使校准装置达到半智能化、精度高、感应灵敏、操作方便等优点；利用USB接口与电脑直接连接，通过电脑操作控制，内部应用虚拟式示波器，测量标准化，可广泛使用于各项电子实验、研究开发、电力系统检测等工作领域。

1 工作原理
1．1 局部放电测量仪信号电路测试原理
    如图1所示，信号发生器发出正弦信号，由示波器读出频率及幅值，并送入电脑；信号再经屏蔽线送入局部放电测量仪，用来校准局部放电测量仪的下限截止频率、上限截止频率及峰值频率。

1．2 局部放电测量仪放电量校准器校准原理
    局部放电测量仪放电量校准器的校准接线如图2所示。
    图中：Cq为分度电容器；R为负载电阻，也可以不用；Cx为被试品等效电容；Ck为耦合电容；Zm为负载阻抗。
    由校准脉冲发生器发生的脉冲经分度电容器Cq积分，积分生成的脉冲电流经负载电阻R(也可以不用)转换为脉冲电压，经过被试品等效电容Cx，耦合电容Ck和负载阻抗Zm将信号加至被检的局部放电测量仪。
    在图2中，由标准脉冲发生器发出的标准电压脉冲，经过试品电容Cx放电，由示波器读出信号波形，并且将信号积分，信号的面积即是局部放电量，送往PC机处理后，与被检的局部放电测量仪显示的局部放电量进行比较，可以得出被检局部放电测量仪的测量误差。
1．3 雷电冲击电压发生器原理
    标准校准信号发生器发出雷电冲击信号，经功率放大器放大，再经高频变压器产生100 V雷电冲击电压。本项目没有采用直流加开关管的方法产生雷电冲击电压，一方面是波形容易调节，另一方面是容易控制。

2 关键技术及解决方案
    (1)采用虚拟数据采集技术，进行数字积分，按照q=It的方法来实现对局部放电量的测量，这是本项目的首创。过去都采用电压幅值乘电容的方法，按照q=UC的方法来实现对局部放电量的测量。
    (2)采用阻抗替换的方法测量内阻，也是本项目的独创。
2．1 标准内阻测试方法
    已有测试方法采用标准DL／T 846．4-2004((高电压测试设备通用技术条件第4部分：局部放电测量仪》6．13．1(原标准编号)校准脉冲发生器内阻的测试。
    测试接线如图3(原标准图号)所示。

    断开图3中开关S，将被检校准脉冲发生器输出脉冲通过电容C接到示波器的输入端，读出示波器显示的电压波形峰值Up，将开关S合上，调节可变电阻器Rw，使示波器显示的电压波形峰值降为Up／2。此时可变电阻器Rw的值即为校准脉冲发生器的内阻值。本项目的研究发现，上述标准的规定是不能准确测量内阻的。这是因为校准脉冲信号发生器所发生的信号是频率为1 000～1 200 Hz的方波，其上升时间小于等于
60 ns，它的带宽经频谱分析仪分析为30 MHz左右，它需要测量的不是直流电阻，而是相应频率下的交流阻抗。由于电容的影响，普通可调电阻组成的测量电路，其时间常数很大，所以无法对高频电路进行准确测量。
2．2 阻抗替换的内阻测试方法
    本项目采用阶跃电压发生器内阻的测量方法，阶跃电压发生器内阻的测量接线如图4所示。

    图4中，阶跃脉冲电压发生器是能产生上升时间小于60 ns，衰减时间大于100μs脉冲电压的信号发生器；示波器为带宽大于50 MHz的数字示波器；C为分度电容器；BNC为同轴连接器；R1，R2，R3，Rn为可以替换的无感电阻。
    按图4连接，连接时，使用BNC同轴连接器。设备之间连接用同轴电缆。
    从图4中可以看出，由于本项目使用的连接导体都是屏蔽电缆，使用的连接器都是BNC同轴连接器，所以电路的电容非常小，这样就能对高频电路进行准确的测量。测量中使用的替换电阻都是经过严格调整的，电感和电容的电阻都非常小，它们的直流电阻和交流阻抗非常接近，这样替换测量的结果就是阶跃脉冲电压发生器的真正内阻，符合测量要求。
    测量时，给阶跃脉冲电压发生器的电压输出端并联一个电阻R1，连接示波器，示波器的输入阻抗值为1 MΩ，测量的阶跃脉冲电压发生器的输出电压为U2，按照下式计算阶跃电压发生器的内阻：
   
    式中：U1为阶跃脉冲电压发生器输出端没有接并联电阻R1时的输出电压；U2为阶跃脉冲电压发生器输出端连接并联电阻R1时的输出电压；R1为阶跃脉冲电压发生器输出端连接的并联电阻，应使其尽量接近阶跃电压发生器内阻；Rx为阶跃电压发生器内阻。
2．3 人机交互校验测试
    给校准装置配备上位机软件，使用更方便。在仪器首次使用之前需要校准，在菜单工具栏中找到“启动示波器”单击，如图5所示。

    示波器启动以后，在菜单栏中有“校验”项，单击会出现子菜单，子菜单又有四项，分别为“频率”“幅值”“积分”和“时间”，可对这四项分别进行校验，比如对频率进行校验。第一步单击子菜单中的“频率”，如图6所示。

    示波器分为通道1和通道2，对这两个通道分别进行校验，在实际频率栏中输入标准频率，接通信号，待测出频率稳定时点击确定键，校验结果则被保存。分别对5 Hz，50 Hz，500 Hz，5 000 Hz，50 000 Hz，500 000 Hz，5 000 000 Hz进行校验；幅值分别是对0 V，0．1 V，1 V，10 V进行校验；积分分别对0，0．000 000 005，0．000 000 05，0．000 000 5，0．000005进行校验；时间分别对1μs，10μs，100μs，1 000μs，10 000μs进行校验；对以上项目校验完后即可以进行测量了。

3 局部放电测量仪校准装置的应用
    目前使用的局部放电测量仪，无论是指针式的还是数字式的，大多数都是利用局部放电脉冲指数波的高度测量视在放电量。指数波的高度与测量装置的衰减系数有关，衰减系数与时间常数有关，由于普通的局部放电的脉冲波的带宽最小也将近30 MHz，所以对测量环路要求很高。甚至连接也会影响测量结果，因此，局部放电测量仪需要定期校准，本项目所研制的局部放电测量仪校准装置能够按照标准的规定对局部放电测量仪进行全面校准，是一种应用广泛的重要安全试验仪器。在产品型式试验和出厂检验项目，特别是生产许可证发证检验中，需要进行局部放电试验的产品很多，如电线电缆、电力变压器、电力电容器、电机、避雷器、电流互感器、电压互感器、电抗器、电器开关、电气绝缘器件等，都可以用该校准装置进行测量校准，应用非常广泛。一些生产企业使用后反响很好，对于提高电气产品的安全性能和产品质量很有帮助。

4 结语
    根据以上叙述，局部放电测量仪校准装置的研制，完成了科技攻关的要求，能够实现对局部放电测量仪的校准，实现了许多技术突破，纠正了一些过去技术上的错误，具有方便、实用的优点。希望同行们提出更好的技术方案，以便把局部放电测量仪的校准工作做得更好。