《電子技術(shù)應(yīng)用》
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局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置的研制與應(yīng)用
摘要: 局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置是根據(jù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和高新科學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和研制而成的,采用虛擬數(shù)據(jù)采集技術(shù),進(jìn)行數(shù)字積分,按照q=It的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電(電量單位:皮庫(kù)(pC))的測(cè)量。
Abstract:
Key words :

摘要:局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置是根據(jù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和高新科學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)和研制而成的,采用虛擬數(shù)據(jù)采集技術(shù),進(jìn)行數(shù)字積分,按照q=It的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電(電量單位:皮庫(kù)(pC))的測(cè)量。該校準(zhǔn)裝置能夠按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對(duì)局部放電測(cè)量?jī)x進(jìn)行全面的校準(zhǔn),具有半智能化、精度高、感應(yīng)靈敏、操作方便等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于提高電器產(chǎn)品的安全性能和產(chǎn)品質(zhì)量很有幫助,是一種應(yīng)用廣泛的重要安全試驗(yàn)儀器。
關(guān)鍵詞:校準(zhǔn)裝置;數(shù)據(jù)采集技術(shù);半智能化;產(chǎn)品質(zhì)量

    局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置是根據(jù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和研制的,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究的要求。本機(jī)的創(chuàng)新在于采用It(脈沖電流對(duì)時(shí)間積分)的方法測(cè)量局部放電量,以虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)示波器。采用高新科學(xué)技術(shù)已使校準(zhǔn)裝置達(dá)到半智能化、精度高、感應(yīng)靈敏、操作方便等優(yōu)點(diǎn);利用USB接口與電腦直接連接,通過(guò)電腦操作控制,內(nèi)部應(yīng)用虛擬式示波器,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化,可廣泛使用于各項(xiàng)電子實(shí)驗(yàn)、研究開(kāi)發(fā)、電力系統(tǒng)檢測(cè)等工作領(lǐng)域。

1 工作原理
1.1 局部放電測(cè)量?jī)x信號(hào)電路測(cè)試原理
    如圖1所示,信號(hào)發(fā)生器發(fā)出正弦信號(hào),由示波器讀出頻率及幅值,并送入電腦;信號(hào)再經(jīng)屏蔽線(xiàn)送入局部放電測(cè)量?jī)x,用來(lái)校準(zhǔn)局部放電測(cè)量?jī)x的下限截止頻率、上限截止頻率及峰值頻率。

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1.2 局部放電測(cè)量?jī)x放電量校準(zhǔn)器校準(zhǔn)原理
    局部放電測(cè)量?jī)x放電量校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)接線(xiàn)如圖2所示。
    圖中:Cq為分度電容器;R為負(fù)載電阻,也可以不用;Cx為被試品等效電容;Ck為耦合電容;Zm為負(fù)載阻抗。
    由校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器發(fā)生的脈沖經(jīng)分度電容器Cq積分,積分生成的脈沖電流經(jīng)負(fù)載電阻R(也可以不用)轉(zhuǎn)換為脈沖電壓,經(jīng)過(guò)被試品等效電容Cx,耦合電容Ck和負(fù)載阻抗Zm將信號(hào)加至被檢的局部放電測(cè)量?jī)x。
    在圖2中,由標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)電壓脈沖,經(jīng)過(guò)試品電容Cx放電,由示波器讀出信號(hào)波形,并且將信號(hào)積分,信號(hào)的面積即是局部放電量,送往PC機(jī)處理后,與被檢的局部放電測(cè)量?jī)x顯示的局部放電量進(jìn)行比較,可以得出被檢局部放電測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差。
1.3 雷電沖擊電壓發(fā)生器原理
    標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出雷電沖擊信號(hào),經(jīng)功率放大器放大,再經(jīng)高頻變壓器產(chǎn)生100 V雷電沖擊電壓。本項(xiàng)目沒(méi)有采用直流加開(kāi)關(guān)管的方法產(chǎn)生雷電沖擊電壓,一方面是波形容易調(diào)節(jié),另一方面是容易控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案
    (1)采用虛擬數(shù)據(jù)采集技術(shù),進(jìn)行數(shù)字積分,按照q=It的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電量的測(cè)量,這是本項(xiàng)目的首創(chuàng)。過(guò)去都采用電壓幅值乘電容的方法,按照q=UC的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電量的測(cè)量。
    (2)采用阻抗替換的方法測(cè)量?jī)?nèi)阻,也是本項(xiàng)目的獨(dú)創(chuàng)。
2.1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻測(cè)試方法
    已有測(cè)試方法采用標(biāo)準(zhǔn)DL/T 846.4-2004((高電壓測(cè)試設(shè)備通用技術(shù)條件第4部分:局部放電測(cè)量?jī)x》6.13.1(原標(biāo)準(zhǔn)編號(hào))校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器內(nèi)阻的測(cè)試。
    測(cè)試接線(xiàn)如圖3(原標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào))所示。

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    斷開(kāi)圖3中開(kāi)關(guān)S,將被檢校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器輸出脈沖通過(guò)電容C接到示波器的輸入端,讀出示波器顯示的電壓波形峰值Up,將開(kāi)關(guān)S合上,調(diào)節(jié)可變電阻器Rw,使示波器顯示的電壓波形峰值降為Up/2。此時(shí)可變電阻器Rw的值即為校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器的內(nèi)阻值。本項(xiàng)目的研究發(fā)現(xiàn),上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是不能準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)阻的。這是因?yàn)樾?zhǔn)脈沖信號(hào)發(fā)生器所發(fā)生的信號(hào)是頻率為1 000~1 200 Hz的方波,其上升時(shí)間小于等于
60 ns,它的帶寬經(jīng)頻譜分析儀分析為30 MHz左右,它需要測(cè)量的不是直流電阻,而是相應(yīng)頻率下的交流阻抗。由于電容的影響,普通可調(diào)電阻組成的測(cè)量電路,其時(shí)間常數(shù)很大,所以無(wú)法對(duì)高頻電路進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
2.2 阻抗替換的內(nèi)阻測(cè)試方法
    本項(xiàng)目采用階躍電壓發(fā)生器內(nèi)阻的測(cè)量方法,階躍電壓發(fā)生器內(nèi)阻的測(cè)量接線(xiàn)如圖4所示。

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    圖4中,階躍脈沖電壓發(fā)生器是能產(chǎn)生上升時(shí)間小于60 ns,衰減時(shí)間大于100μs脈沖電壓的信號(hào)發(fā)生器;示波器為帶寬大于50 MHz的數(shù)字示波器;C為分度電容器;BNC為同軸連接器;R1,R2,R3,Rn為可以替換的無(wú)感電阻。
    按圖4連接,連接時(shí),使用BNC同軸連接器。設(shè)備之間連接用同軸電纜。
    從圖4中可以看出,由于本項(xiàng)目使用的連接導(dǎo)體都是屏蔽電纜,使用的連接器都是BNC同軸連接器,所以電路的電容非常小,這樣就能對(duì)高頻電路進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。測(cè)量中使用的替換電阻都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)整的,電感和電容的電阻都非常小,它們的直流電阻和交流阻抗非常接近,這樣替換測(cè)量的結(jié)果就是階躍脈沖電壓發(fā)生器的真正內(nèi)阻,符合測(cè)量要求。
    測(cè)量時(shí),給階躍脈沖電壓發(fā)生器的電壓輸出端并聯(lián)一個(gè)電阻R1,連接示波器,示波器的輸入阻抗值為1 MΩ,測(cè)量的階躍脈沖電壓發(fā)生器的輸出電壓為U2,按照下式計(jì)算階躍電壓發(fā)生器的內(nèi)阻:
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    式中:U1為階躍脈沖電壓發(fā)生器輸出端沒(méi)有接并聯(lián)電阻R1時(shí)的輸出電壓;U2為階躍脈沖電壓發(fā)生器輸出端連接并聯(lián)電阻R1時(shí)的輸出電壓;R1為階躍脈沖電壓發(fā)生器輸出端連接的并聯(lián)電阻,應(yīng)使其盡量接近階躍電壓發(fā)生器內(nèi)阻;Rx為階躍電壓發(fā)生器內(nèi)阻。
2.3 人機(jī)交互校驗(yàn)測(cè)試
    給校準(zhǔn)裝置配備上位機(jī)軟件,使用更方便。在儀器首次使用之前需要校準(zhǔn),在菜單工具欄中找到“啟動(dòng)示波器”單擊,如圖5所示。

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    示波器啟動(dòng)以后,在菜單欄中有“校驗(yàn)”項(xiàng),單擊會(huì)出現(xiàn)子菜單,子菜單又有四項(xiàng),分別為“頻率”“幅值”“積分”和“時(shí)間”,可對(duì)這四項(xiàng)分別進(jìn)行校驗(yàn),比如對(duì)頻率進(jìn)行校驗(yàn)。第一步單擊子菜單中的“頻率”,如圖6所示。

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    示波器分為通道1和通道2,對(duì)這兩個(gè)通道分別進(jìn)行校驗(yàn),在實(shí)際頻率欄中輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率,接通信號(hào),待測(cè)出頻率穩(wěn)定時(shí)點(diǎn)擊確定鍵,校驗(yàn)結(jié)果則被保存。分別對(duì)5 Hz,50 Hz,500 Hz,5 000 Hz,50 000 Hz,500 000 Hz,5 000 000 Hz進(jìn)行校驗(yàn);幅值分別是對(duì)0 V,0.1 V,1 V,10 V進(jìn)行校驗(yàn);積分分別對(duì)0,0.000 000 005,0.000 000 05,0.000 000 5,0.000005進(jìn)行校驗(yàn);時(shí)間分別對(duì)1μs,10μs,100μs,1 000μs,10 000μs進(jìn)行校驗(yàn);對(duì)以上項(xiàng)目校驗(yàn)完后即可以進(jìn)行測(cè)量了。

3 局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用
    目前使用的局部放電測(cè)量?jī)x,無(wú)論是指針式的還是數(shù)字式的,大多數(shù)都是利用局部放電脈沖指數(shù)波的高度測(cè)量視在放電量。指數(shù)波的高度與測(cè)量裝置的衰減系數(shù)有關(guān),衰減系數(shù)與時(shí)間常數(shù)有關(guān),由于普通的局部放電的脈沖波的帶寬最小也將近30 MHz,所以對(duì)測(cè)量環(huán)路要求很高。甚至連接也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,因此,局部放電測(cè)量?jī)x需要定期校準(zhǔn),本項(xiàng)目所研制的局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置能夠按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對(duì)局部放電測(cè)量?jī)x進(jìn)行全面校準(zhǔn),是一種應(yīng)用廣泛的重要安全試驗(yàn)儀器。在產(chǎn)品型式試驗(yàn)和出廠(chǎng)檢驗(yàn)項(xiàng)目,特別是生產(chǎn)許可證發(fā)證檢驗(yàn)中,需要進(jìn)行局部放電試驗(yàn)的產(chǎn)品很多,如電線(xiàn)電纜、電力變壓器、電力電容器、電機(jī)、避雷器、電流互感器、電壓互感器、電抗器、電器開(kāi)關(guān)、電氣絕緣器件等,都可以用該校準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn),應(yīng)用非常廣泛。一些生產(chǎn)企業(yè)使用后反響很好,對(duì)于提高電氣產(chǎn)品的安全性能和產(chǎn)品質(zhì)量很有幫助。

4 結(jié)語(yǔ)
    根據(jù)以上敘述,局部放電測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)裝置的研制,完成了科技攻關(guān)的要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部放電測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了許多技術(shù)突破,糾正了一些過(guò)去技術(shù)上的錯(cuò)誤,具有方便、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。希望同行們提出更好的技術(shù)方案,以便把局部放電測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)工作做得更好。

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