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JJG1115-2015《局部放电校准器检定规程》解读
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2016-05-13

一、制定背景

局部放电测量仪用于测量电气系统的局部放电量,以此来评价电气系统的绝缘性能。过去的电气设备如开关、变压器、互感器和电缆等主要以液体(油)和气体(六氟化硫)绝缘,随着技术进步,许多电气设备改用固体绝缘,比如现在电缆大部分采用固体绝缘。固体绝缘无法用传统的实验液体(油)和气体(六氟化硫)绝缘的方法来评价电气系统的绝缘性能。局部放电是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的,通常这种放电表现为持续时间纳秒量级的脉冲,可用于各种绝缘介质的电气系统。

局部放电测量中的实际测量量值不是内部实际发生的放电电荷量,而是反映在被试品端部脉冲的电荷量值,称为视在电荷量(apparent charge,以下简称“电荷量”)。实际测量的视在电荷量很小,常用库伦c-12皮库(pC)来表示。如何对局部放电测量系统的皮库量进行溯源,需要通过局部放电校准器实现。值得注意的是,由于实际的绝缘劣化不仅与放电的程度有关,还与放电的波形及重复率都有直接关系,因此,在有关局部放电测量的国际和国家标准(IEC60270以及GB/T7354)中对局部放电校准器(以下简称“校准器”)的诸多参数都有详细的要求。

JJG1115-2015《局部放电校准器检定规程》(2015年6月15日发布,自2015年9月15日开始实施)以电荷量为核心参数建立相应的指标体系,对校准器进行等级划分。电荷量的溯源方法为电流积分的方式,即电流时间(It)法,由此符合了放电量库伦的定义。符合相关标准要求的同时,比按电压电容(UC)法更易减少方法误差。电荷的计量在我国尚未正式开展,本规程的适用范围、技术要点,以及施行中容易产生的问题,均需加以说明。笔者作为规程起草人望借助此文,以使规程能完整、正确地实施。

二、规程的主要内容

1.规程等级划分

本规程从构建局部放电视在电荷量量传体系出发,按照校准器输出电荷量的准确度等级将校准器分为三级:2级、5级和10级。根据现行国标中规定局部放电测量仪电荷量刻度因数指标为5%的要求,承担着对地区、部门或组织内局部放电测量仪电荷量的量值传递任务的校准器,应该为2级校准器;而用于确保日常局放测量结果准确的校准器可以是5级校准器和10级校准器。根据校准器输出电荷量的计量性能,按量程对校准器进行等级划分(见表1)。

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<CTSM> 表1 校准器输出电荷量要求</CTSM>

电荷的测量误差是相对误差。电荷的量表示的是电荷的多少,用相对误差表示最为合适。局部放电测量的国家标准和IEC标准都用相对误差表示,过去由于没有国家计量检定规程,只好借用其他标准和规程的方法。由于每种计量器具具有不同的工作原理和用途,这些标准或规程规定的方法不能适应局部放电测量的要求。比如测量局部放电校准器的阶跃电压的测量,若参照国家计量技术规范JJF1174-2007《数字信号发生器校准规范》之5.3(见附件)的规定,输出电平的最大允许误差:±(0-5~2)dB,按百分数误差计算为±(5-6~20.6)%。第11条规定(Δt)时间测量:±2%±100ps。在测量局部放电量时,使用示波器,依据JJG262-1996《模拟示波器检定规程》第1条规定垂直偏转系数:±2%;第2条规定频带宽度-3dB,按百分数误差计算为±29.3%;第3条规定垂直位移线性误差:±5%;第6条规定(ΔV)幅度测量:±2%。这样测量的数据,其测量结果的不确定度无法满足国际电工委员会标准IEC60270:2000和国家标准GB/T7354-2003《局部放电测量》的要求:校准器输出电荷量的宜优于±5%。本规程采用了国际上先进的基于电荷量的准确度要求和误差表达方法,过去的测量方法和测量设备无法满足其测量要求。因此必须按照本规程进行检定,才能满足要求。

2.规程指标体系

本规程以“电荷量”为核心,以“波形参数”、“阶跃电压与分度电容”、“内阻”等为辅助指标,建立了校准器特性参数的质量控制体系。理论上校准器输出电流脉冲的波形与电荷量无关,但是考虑到局部放电校准器的用途中有部分局放仪以脉冲峰值来标定电荷量,而且不同脉冲波形的频谱分量也不同,因此,若仅有电荷量指标满足要求,而波形过于缓慢、校准器自身内阻过大等,这个电荷源也不是符合规程要求的局部放电校准器。

举例来说,若以分度电容10pF、100pF和1000pF来建立局部放电校准器。图1是输出电荷量同为50pC电荷量的脉冲波形,电容量越大脉冲幅值越低。分度电容为1000pF时校准器输出脉冲峰值过低,在图1中未画出外,脉冲宽度过大也超出了局放脉冲的指标范围。图2是两个不同校准器在输出50pC电荷量时波形比较图,图2(a)和(b)中校准器的分度电容的容量都为10pF,差别仅为串联电感不同,因此波形振荡量指标能反映回路电感的问题。图3则是一个回路杂散参数对校准器输出脉冲更为严重的情况。因此,为了首先剔除明显不合格的情况,本规程设定的波形参数中除了IEC推荐的阶跃波上升时间外,还增加了在脉冲振荡量方面的要求,同时不对该参数进行过于严格的指标规定。

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<CTSM> 图1 不同分度电容校准器输出50pC电荷量时的波形图</CTSM>

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<CTSM> 图2 相同分度电容值的两个校准器输出50pC电荷量时的波形图</CTSM>

3.电荷量检定方法

本规程针对核心量值电荷量的测量方法为电流积分的方法,即将电荷量溯源至电流和时间(It法),这种方法既是IEC和国标推荐的方法,又是符合库仑定义的方法,较之电压电容法(UC法)具有优势。对于5级和10级校准器进行的是直接基于脉冲波形的积分测量电荷量的方法,而对于2级校准器的是比较测量的方案,将被测脉冲电流面积(即电荷量)和标定过的脉冲电流面积比较,这样有利于消除测量装置基线、电流电压转换部分等因素引入的测量不确定度。

在目前现行有效的部分行业标准或技术法规中,还有将电荷量溯源至电压和电容(UC法)的方法。这种方法中只考虑校准器的阶跃电压幅值和分度电容容量乘积,无需对校准器输出脉冲电流进行测量,仅通过计算获得校准器输出电荷量,具有简便易行的优势。然而,方案在实践过程中遇到诸多困难,限制了它的应用。首先,校准器作为一个电源,若不考虑其输出特性,将其割裂仅针对阶跃电压和分度电容容量进行考量,则计量过程无法实现对于如图3所示的杂散参数影响严重的校准器的甄别。其次,在建立溯源链方面也存在困难。对阶跃电压幅值和电容容量值测量后合成的测量不确定度可能较大,不能满足国际标准中5%的指标要求。仅电容量方面,局放校准器的分度电容的容量限制在皮法量级的小电容,如5级和10级校准器通常采用的分度电容为两端元件的10pF或100pF电容。对于小电荷量的10pF两端电容,即便是采用万分之几准确度等级的阻抗测量仪,其测量误差也不容忽略,甚至可能高达十分之几。而阶跃波电压幅值,考虑到过冲等因素,测量不确定度已经在百分之几了。显然,对于5级和10级校准器,利用电压电容法检定电荷量存在困难。第三,可操作性差。目前由于国际和国标的推行,许多国外以及国内很多厂商生产的校准器不能打开,不提供电压和分度电容的测量端子,无法实现测量。

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<CTSM> 图3 某校准器输出脉冲的波形图</CTSM>

三、规程执行中应注意的问题

1.规程考虑到校准器一般为电池供电方式,容易出现低电量工作的情况。而校准器输出电荷量具有受工作电压影响较大的特点,关注校准器工作电压对输出电荷量的影响,在校准器稳定性条目中对工作电压提出了明确的要求。

2.校准器内阻的测试,由于是个指标量,所以考察校准器是否小于各级校准器的内阻指标要求即可,所以在检定方法上,突出了对指标量的核查,而无需明确测出该校准器的内阻有多小,更为合理和简便。

3.校准器输出脉冲波形参数虽然校准电荷量,不是核心量值,但是,它是核查电荷量的必要的前提条件,应该首先进行核查。

4.规程中规定的标准设备,除了在电荷量测量指标上满足要求外,检定装置的频带问题也是其作为脉冲测量设备首要应满足和不容忽视的因素。配置设备以满足为准,过高的带宽和采样率会增加设备的费用。

5.与局部放电校准器相应的局部放电测量仪或测量系统应更为广泛。虽然国标中规定的局部放电测量仪的频带在兆赫兹以下,但是更高频段的测试系统,如几十兆赫兹的测量系统适用的局部放电校准器也同样适用本规程。只是这些校准器输出的脉冲波形可能更窄,高频分量更为丰富,对计量设备的频带要求高些。另外,局放放电测量的量程从几个皮库到几千皮库,甚至更大,规程中推荐的计量设备的性能指标很难达到全部兼顾的效果,在执行规程时可根据实际需要对某些参数进行必要的调整。


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