可溯源沖擊電壓校準器特性研究

李文婷，劉少波，龍兆芝，肖　凱，宗賢偉

（中國電力科學研究院，湖北武漢430074）

?

可溯源沖擊電壓校準器特性研究

李文婷，劉少波，龍兆芝，肖凱，宗賢偉

（中國電力科學研究院，湖北武漢430074）

摘要：介紹一種可溯源的沖擊電壓校準器，該校準器可輸出IEC 60060-1——2010《高電壓試驗技術第一部分：一般定義和試驗要求》中所規定的標準雷電全波、雷電操作波等4種時間參數波形，可作為標準波源對數字記錄儀及沖擊峰值表進行校準。該校準器可通過理論分析的方式溯源至各元器件的國家標準，其輸出電壓峰值不確定度＜0.1%，時間參數不確定度＜0.5%，可滿足實際應用中對沖擊電壓峰值表及沖擊測量用數字記錄儀的幅值及時間測量參數校準的需求，具有很好的實用性及較高的推廣價值。

關鍵詞：可溯源；標準波源；數字記錄儀；沖擊峰值表

0　引言

沖擊電壓測量系統包括沖擊分壓器及二次測量儀表，為保證沖擊電壓測量的準確性，應定期對該系統進行校準[1-4]；其中，沖擊二次測量儀表包括數字記錄儀及沖擊峰值表[5]，通常采用沖擊電壓標準波源對沖擊二次測量儀進行校準。沖擊電壓標準波源，即可輸出標準波形參數的沖擊電壓波源，主要用于校準沖擊電壓峰值表及沖擊測量用數字記錄儀的幅值及時間測量參數[6]，還可用于標定沖擊分壓器的刻度因數。目前各省計量院及電科院采用的沖擊電壓標準波源多為進口設備，如瑞士HAEFELY及德國Strauss公司生產的校準波源，國外研究機構相繼開展了可溯源沖擊電壓校準器的研究[7-9]；但國內目前暫無廠家及科研機構研制準確度等級較高的沖擊電壓標準波源，使用進口沖擊波源存在難以溯源及維修困難的問題，目前亟需自行研制準確度等級較高的沖擊電壓標準波源。

1　沖擊電壓校準器

1.1基本功能

沖擊電壓校準器作為標準波源既可用于校準沖擊峰值表及數字記錄儀，也可對沖擊分壓器的刻度因數進行標定，其設計要求主要為輸出沖擊電壓幅值參數及時間參數準確且穩定性好、有較強的帶載能力、輸出電壓有良好的線性度及長期穩定性、能夠輸出多種參數的標準波形（如雷電全波、雷電截波及操作波）、能夠輸出不同幅值的電壓。本校準器波源共包括4種時間參數標準波形，分別為0.84μs/60μs、1.56 μs/60μs、250 μs/2500μs、20μs/4000μs，基本覆蓋了IEC60060-1——2010中規定的雷電壓標準波形。

目前在電力行業中廣泛使用的沖擊電壓峰值表的準確度等級為1級，因此要求校準用波源的準確度等級≥0.3級，或其輸出幅值的測量不確定度≤0.3%，才能滿足校準需求。理論上，沖擊電壓校準器的輸出電壓值越高越好，但在實際研制過程中其輸出電壓多會受到元器件參數的限制，本文所研制的校準器輸出波形峰值電壓為1000 V。

本文研制的校準器系統包括充電電源、觸發模塊、校準波形形成模塊、反饋測量模塊及控制模塊；其中，控制模塊程序基于LabVIEW編制[10]，安裝于計算機中用于控制充電模塊、觸發模塊及反饋測量模塊。為保證在校準過程中掛接不同試品負載時，校準波源均能輸出預期的幅值電壓，在校準器控制模塊中設計了計算環節及反饋測量環節，可以根據每次校準器所帶負載情況計算校準器中儲能電容上的充電電壓值，并在充電過程中將校準器形成回路中主電容上的充電電壓值實時反饋給控制模塊。

1.2校準器電路設計

校準器模塊如圖1所示，I為充電部分，II為電壓反饋測量部分，III為標準波形形成回路，IV為輸出電纜及所掛接負載，V為觸發模塊。其中，控制模塊用于控制波源中電容的充電幅值、充電時刻及回路放電時刻（即給出開關觸發信號的時刻），測量模塊用于測量儲能電容上的電壓值并實時反饋給控制模塊，控制模塊通過對反饋電壓值判斷后給出繼續充電或停止充電的信號。在主電容兩端并聯電阻R11、R12支路，使R11與R12構成一個反饋分壓器，并將R12上的電壓反饋至數字電壓表，用于監測主電容電壓，當所監測電壓達到預期充電值時，觸發回路立刻給出信號，控制開關放電。標準波形成回路為一個單級的沖擊電壓發生器回路，由儲能電容CS、波尾電阻RE、波頭電阻RD、放電電容Cb，負載電容CL、RL，及回路雜散參數LS、RS組成。當儲能電容CS充電完成后，觸發模塊給開關K發送觸發信號，開關K立即閉合完成回路的放電，在負載上即可得到用于校準的標準沖擊電壓波形。

在校準器主開關K閉合放電的瞬間，需要將儲能電容CS充電支路的開關S切斷，因此在校準器控制模塊設計時，需要充分考慮這兩個開關動作配合的準確性，若校準器回路開關K閉合時，充電回路開關S還未關斷，這時主電容上的電壓還在不斷充電，將影響校準器放電回路的電壓幅值；若儲能電容充電回路開關S關斷后，主回路開關K滯后閉合，則電容CS上的電壓將會沿反饋支路電阻R11及R12回路泄放，校準器回路輸出電壓值將會低于預計值。本文研制的校準器采用的開關S為繼電器，開關K為MOSFET，為了保證開關S動作時間充分，設計給出的兩個開關的動作觸發信號之間的時間間隔設定為40μs，在保證繼電器S完全斷開后，K能夠迅速閉合。

1.3校準器控制及測量系統

圖1　校準器電路圖

在該沖擊電壓校準器中控制及反饋測量模塊起著重要的調節作用，是保證校準器系統輸出電壓幅值準確可靠的關鍵因素。當需要校準器輸出指定波形電壓時，首先在控制模塊中選擇校準器的輸出波形類型、極性及幅值，控制模塊會將充電電源切換至當前工作波形模塊，計算儲能電容上的充電電壓值后，控制充電直流電源輸出電壓，充電過程中反饋測量用數字電壓表將監測到的儲能電容電壓值反饋給控制模塊，經控制模塊判斷后給出繼續充電信號或者停止充電并發出開關觸發動作信號。為保證校準器輸出電壓的較高準確度，整個校準器系統中的各部件均應保證良好的準確性，其中所采用的直流充電電源為Keithley公司生產的2657A直流源，其直流電壓輸出準確度可達1/10000，反饋電壓測量用數字多用表采用Agilent公司生產的34401A，其直流電壓測量不確定度為1×10-5（k=2）。

1.4校準器回路參數設計

為保證沖擊電壓校準器輸出特性優良，除采用準確度高的充電直流電源及反饋測量用數字多用表外，還需選擇優良的校準器波形形成回路元器件。其中，電容及電阻器件應選擇電壓系數小、溫度系數小、雜散參數小及長期穩定性好的器件，所有元器件的耐壓及通流能力應滿足設計要求；其次，為保證校準器良好的帶載能力，儲能電容CS應具備足夠的電容量，且波尾電阻RE阻值不應過大。回路開關K及充電繼電器S應選擇易于觸發控制且動作迅速的元件，開關K參與了校準波形形成回路放電，因此應保證其較小的導通電阻及雜散電感。

一般情況下，沖擊電壓校準器所帶負載數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，因此設計時考慮校準器的最大負載為2kΩ，在設計校準器時要保證當負載為2kΩ時，校準器仍能輸出最高額定電壓。確定校準器的負載范圍后即可根據校準波形的時間參數來仿真計算，確定校準器回路中的儲能電容、波頭電阻及波尾電阻值。在此基礎上，根據現有元器件選擇合適的參數搭配，最終使輸出波形的時間參數滿足預期設計的要求。

2　不確定度分析

通過仿真計算的方式確定校準器各波形形成模塊中的元器件參數，其中所研制的1.56μs/60 μs波形形成模塊最終確定的參數如表1所示，其輸出電壓的波頭/波尾時間參數T1/T2理論值為1.5417μs/ 59.642 5μs。為驗證所設計的沖擊電壓校準器輸出的電壓波形及時間波形的不確定度滿足預期的設計要求，本文采用理論分析的方式對校準器進行量值溯源，對其輸出電壓幅值Up的不確定度及時間T1/T2的不確定度進行分析計算。由于校準器波形形成回路中所采用的元器件的數值均通過溯源至中國計量院的阻抗分析儀測定，因此校準器回路參數最終可溯源至元器件的國家標準。

從校準器回路中元器件的參數變化及直流充電電源的充電電壓準確性對校準器輸出波形的影響，對校準器的輸出參數進行不確定度評定與分析。對校準器系統整體結構及校準器回路電路進行分析，得知影響校準器波形參數不確定度的因素主要為以下5個方面：

1）電容的電容值測量、溫度系數、電壓系數所引起的測量不確定度。

2）電阻的阻值測量以及溫度系數所引起的測量不確定度。

3）負載電阻和負載電容的量值測量所引起的測量不確定度。

4）沖擊回路中雜散電感所引起的測量不確定度。

5）充電電壓所引起的測量不確定度。

根據校準器中元器件的溫度系數試驗、電壓系數試驗、長期穩定性試驗等試驗數據對1）～4）中所列不確定度分量進行評定，分量5）主要由反饋測量用數字電壓表的測量準確度引入。影響因素1）～5）的靈敏度系數可通過校準器回路中單個元器件變化導致的輸出電壓變化程度來進行分析，設定每個元器件的數值變化1%，計算輸出波形的幅值、T1和T2變化的百分比，簡稱靈敏度分析。并考慮各不確定度分量的靈敏度系數和因素各不相關，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算結果。

表1　1.56μs/60μs沖擊電壓校準器的不確定度評定

表2　校準器輸出特性測試數據

從表中可以看出充電電容CS和波尾電阻RE對參數T2影響較大，放電電容Cb和波頭電阻RD對參數T1影響較大，其余參數變化時對波形輸出電壓參數影響甚小。所研制的1.56μs/60μs校準器幅值測量不確定度為0.08%，時間測量不確定度T1為0.44%，T2為0.40%，達到了預期的設計目標，可以用于準確度等級為1級以上的數字記錄儀及沖擊峰值表的量值傳遞。

3　校準器輸出特性測試

采用德國Struass/TR-AS200-14數字記錄儀對校準器1 000 V-1.56 μs/60μs波形的輸出特性進行輔助測量，測試電壓為10～1000 V，在每個測試電壓點正負極性各測試10次后取平均值，試驗數據如表2所示。

表中數據顯示校準器輸出幅值實測值與理論輸出值在各電壓點誤差＜0.5‰，實測時間參數平均值與理論計算值誤差為T1/T2=1‰/2‰，造成幅值及時間參數實測值與理論值誤差的原因在于數字記錄儀本身的測量誤差，電磁環境的影響等。采用數字記錄儀所記錄的數據用于輔助證明校準器輸出特性，在校準器長期穩定性及短時穩定性試驗中均會用到。

4　結束語

本文研制了一種可溯源的沖擊電壓校準器系統，該系統可輸出4種不同參數的沖擊電壓波形，其中雷電波形1.56 μs/60 μs波形的校準器可掛接阻值≥2kΩ的電阻分壓器負載。校準器采用性能優良的電阻、電容及開關元器件，保證了校準器整體輸出良好的穩定度及線性度。為實現校準器系統的自動調節及控制，基于LabVIEW程序編制了校準器控制系統，可靈活輸出10～1000 V范圍內的任意幅值電壓。還可根據校準器所帶負載的不同來計算調節校準器充電電源的電壓，保證校準器良好的帶載能力。該校準器系統可通過理論分析的方式溯源至各元器件的國家標準，其峰值測量不確定度可達到0.1%，時間測量不確定度可達到0.5%，整體性能參數已達到國際先進水平，可廣泛用于沖擊峰值表、數字記錄儀的校準及電阻分壓器刻度因數的標定。

參考文獻

[1] High-voltage test techniques Part 1：general definitions and test requirements：IEC 60060-1——2010[S]. 2010.

[2] High-voltage test techniques Part 2：measuring systems：IEC 60060-2——2010[S]. 2010.

[3]包玉樹，陳威，王樂仁，等.沖擊分壓器關鍵計量性能分析（上）[J].電測與儀表，2013，50（566）：125-128.

[4]包玉樹，陳威，王樂仁，等.沖擊分壓器關鍵計量性能分析（下）[J].電測與儀表，2013，50（567）：124-128.

[5] Instruments and software used for measurements in high voltage impulse tests Part 1：requirements for instruments：IEC 61083-1——2001[S]. 2001.

[6]沖擊峰值表檢定規程：JJG 588——1996[S].北京：中國計量出版社，1996.

[7] HA¨LLSTRO¨M J，ARO M，KIVEL M. Lightning impulse calibration circuit for voltages up to 1 800 V[C]∥Proc 8th ISH Yokohama，1993：423-426.

[8] HA¨LLSTRO¨M J，CHEKUROV Y，Aro M. A calculable impulse voltage calibrator for calibration of impulse digitizers [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements，2003（52）：400-403.

[9] LI Y，SHEEHY R，RUNGIS J. The calibration of a calculable impulse voltage calibrator [C]∥Proc 10th ISH Montreal，1997：45-49.

[10]王鵬，林俊斌，陳震偉.基于LabVIEW平臺開發的一種雷電沖擊測量系統[J].高壓電器，2012，46（2）：79-82.

（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，主要從事高電壓計量、高電壓新技術方面研究工作。

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

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0031-04