冲击分压器校准规范.doc

DL/T 第 22 页 共 22 页冲击分压器校准规范1 范围本规范适用于额定电压100kV及以上的，测量雷电冲击波和操作冲击波的新制造、使用中及修理后的冲击分压器的校准。2 引用标准下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T 16927.11997 高电压试验技术 第一部分：一般试验要求 GB/T 16927.21997 高电压试验技术 第二部分：测量系统3 术语和定义3.1 雷电冲击波 (lightning impulse)由于绝缘击穿放电产生的波前时间20s以下的瞬时电压脉冲，其典型的波形如图1所示。 图1 雷电冲击波3.2 操作冲击波 (switching impulse) 由于电路中电流和电压的突然变化(如开关操作)产生的波前时间20s以上的瞬时电压脉冲。其典型的波形如图2所示。注：研究表明，电力设备承受的冲击电压波形接近双指数波，双指数波的波形曲线为：。3.3 雷电冲击波波前时间T1 (front time of a lightning impulse T1) T1为视在参数，定义为雷电冲击波波前30%峰值点与90%峰值点（图1中A、B两点）之间的时间间隔的1.67倍。如波前有振荡，则首先作出振荡波的平均曲线，并按前述的定义确定A、B两点。3.4 雷电冲击波视在原点 (virtual origin of a lightning impulse) 超前于波形中A点对应的时刻0.3T1的瞬间，即图1中O1点。在线性坐标中为通过A、B两点的直线与时间轴的交点。3.5 雷电冲击波半峰值时间T2 (time to half value of a lightning impulse T2)雷电冲击波的视在原点与电压下降到峰值一半瞬间的时间间隔，如图1所示。 图2 操作冲击波3.6 操作冲击波波前时间Tp ( time to peak of a switching impulse TP) 操作冲击波从实际原点到电压达到峰值瞬间的时间间隔。3.7 操作冲击波半峰值时间T2 (time to half value of a switching impulse T2) 操作冲击波从实际原点到到第一次下降至半峰值瞬间的时间间隔。3.8 实验响应时间T (experimental response time T) 单位值1减去单位方波响应作为被积函数，从视在原点O1到无穷大时间的积分。3.9 过冲 (overshoot )单位方波响应超出单位值1的数量，用百分比表示。4 概述 冲击电压试验用于检验电气设备耐受雷电过电压和操作过电压的绝缘强度。测量冲击电压通常使用冲击分压器把一次侧的高电压按比例变换为二次侧的仪表电压。冲击分压器在结构上可分为电阻型分压器和阻尼电容型分压器两大类。电阻型分压器选用温度系数很小的电阻丝在绝缘支架上用无感绕法制成，电阻值一般不超过50k，适用于测量1000kV以下的冲击电压。阻尼电容型分压器由多个电容与电阻串联组成，串联后的电容量一般不大于1000pF，串联总电阻典型值为1000。冲击电压在回路中产生的振荡大部被电阻所阻尼。冲击分压器的电阻和电容元件固定在充油或充气的绝缘套管内，必要时使用均压环和屏蔽电极使各元件所处的电场尽量均匀。冲击分压器的二次电压经同轴电缆输出，并在分压器的二次电压输出端串入电阻与同轴电缆实现阻抗匹配。 5 通用技术要求5.1 冲击分压器器身应有足够的机械强度，底座，绝缘套管，均压环结合牢靠，无松动。5.2 冲击分压器底座应有供同轴电缆连接的同轴电缆插座，装配同轴电缆插头后可以经电缆输出二次电压。同轴电缆应与分压器配套使用，在分压器侧必须进行阻抗匹配。5.3 冲击分压器底座上应有供接地用的端子，在顶部应有供连接一次导线用的端子，端子螺杆直径不小于12mm。5.4 冲击分压器底座上应有铭牌标志，内容应包括： 型号规格；额定一次电压；额定分压比；分压比误差（或准确度等级）；分压器高压臂总电阻值或总电容值；同轴电缆的特性阻抗。6 计量性能要求6.1 冲击分压器额定一次电压应不低于100kV。6.2 冲击分压器额定分压比的倒数与额定一次电压的乘积应不大于2000V。6.3 冲击分压器实际分压比与额定分压比的偏差应不大于1%。6.4 冲击分压器响应时间应不大于100ns。6.5 冲击分压器在峰值附近的振荡幅度应不大于峰值的5%。6.6 同轴电缆的特性阻抗应是实数，且接近等于50、75标准值中的一个。7 校准条件7.1 环境条件7.1.1大气条件环境气温535，相对湿度30%80%, 气压不小于98kPa，大气中无腐蚀性物质。7.1.2 场地条件在与被校分压器器身高度相当的周边范围内，除测量引线外应无其它物体。在分压器顶部超出器身高度1/3范围内，除高压引线外应无其它物体。7.1.3 接地条件冲击分压器的接地回路应使用宽度不小于0.3m的铜、铝金属带或金属箔，接地回路应在一点接地。7.1.4 高压引线 校准时被校分压器使用的高压引线应与经常性使用的高压引线相同。7.1.5 电源条件试验场所的供电电源频率为（500.5）Hz，电压(22010)V，电压波形失真度不大于5%。7.1.6 电磁干扰在设备接通电源后，试验场所各种频率的干扰磁场不大于400A/m， 干扰电场不大于1kV/m。7.1.6 机械振动试验地点应无可察觉的机械振动。7.2 校准用设备7.2.1 标准冲击分压器校准使用的标准冲击分压器的额定电压应不低于被校分压器额定电压的1/5，配用同轴电缆后的输出分压比（含终端衰减器）应与被校分压器配用同轴电缆后的输出分压比接近，偏差不大于5%。标准冲击分压器在配用同轴电缆下的分压比误差应不大于0.2%，实验响应时间不大于25ns，响应时间的标定误差不大于5ns，过冲不大于15%。7.2.2 数字记录示波器或暂态记录仪 校准使用的数字记录示波器或暂态记录仪应有两个性能相同的输入通道，在输入电压50V500V，频宽100MHz的量程内幅值采样分辨率不超过0.2%，幅值测量误差不大于1%，时标误差不大于1%，采样信号能通过内置或外设数字处理器进行分析计算。7.2.3 直流欧姆表或电容测量仪器 直流欧姆表应有可测量1k100k的量程，测量准确度不低于1%。电容测量仪或高压电容电桥应有可测量100pF10000pF的量程，测量准确度不低于1%。7.2.4 高频阻抗电桥高频阻抗电桥的测量频率应有500kHz5MHz频段。量程应包括11000范围。准确度不低于2级。7.2.5 冲击电压发生器校准使用的冲击电压发生器，应能产生符合GB/T 16927.1的标准雷电波和标准操作波，视在波前时间分别为0.84s1.2s和17.5s25s，视在半峰值时间分别为50s65s和2500s3250s。冲击波的输出幅值应不小于被校分压器额定电压的1/5，叠加在波峰附近的振荡波频率不大于500kHz，振幅不大于指数波峰值的5%。8 校准项目和校准方法8.1 冲击分压器校准项目见表2 表2 冲击分压器校准项目内 容新制造使用中修理后外观及标志检查+高压臂电阻值或电容值测量+输出端口阻抗测量同轴电缆特性阻抗测量雷电冲击电压校验+指数波响应校验+操作冲击电压校验+响应时间和振荡幅度计算 注：表2中标有栏为必须进行的试验项目，标有栏为不作要求的试验项目。8.2 外观及标志检查检查用目测方法按表3进行。表3 外观检查记录检查项目要求检查结果设备完整性分压器底座、同轴电缆插座、绝缘套管，均压环完好，结合牢靠，无松动。一次端子和接地端子有专用端子且螺杆直径不小于12mm。铭牌标志额定一次电压额定分压比分压比误差（准确等级）高压臂总电阻值或总电容值同轴电缆的阻抗8.3 分压臂电阻值或电容值测量 电阻型分压器可使用直流欧姆表测量，阻尼电容型分压器可使用电容测量仪或高压电容电桥测量。测量时应断开一次回路，保持接地回路不变。使用高压电容电桥测量时应使用反接线法。测量值采用统计平均方法处理。8.4 输出端口阻抗测量 测量时一次引线接地，被校分压器二次侧同轴电缆输出端口与地之间的阻抗用高频阻抗电桥或测量仪测量，使用频段为500kHz5MHz。测量值采用统计平均方法处理。8.5 同轴电缆特性阻抗测量 测量时使用高频阻抗电桥或测量仪，使用频段为500kHz5MHz。分别测量电缆终端短路时的电感LC和终端开路时的电容CC，电缆的波阻抗ZC按下式计算： 测量值采用统计平均方法处理。8.6 雷电冲击电压校验校验时使用冲击电压发生器产生相当于标准分压器额定电压80%100%的标准雷电冲击波，施加到被校分压器和标准分压器上，分别测量它们的输出。试验时可以使用有适当电容值的试品参与调波，使视在波前时间为0.84s1.2s，视在半峰值时间为50s65s。 试验场地布置应使被校分压器与标准分压器的高压引线均从顶部向上引出，标准分压器和被校分压器高压引线在水平面的投影应接近直角，偏差不大于10。根据实验室情况可在图3中选用其中一种布置。设备之间的距离应满足7.1.2条要求。 图3 冲击分压器校准时设备平面布置 图中： G 冲击电压发生器 O 试品或调波阻抗D 被校分压器 Do 标准分压器标准和被校分压器的二次输出经配套的同轴电缆送到双通道数字记录示波器或暂态记录仪。数字记录示波器或暂态记录仪录下的雷电冲击电压波形经过采样得到数字量，再对采得的数字量按参数的定义进行处理及计算，可得到波前时间，半峰值时间，峰值电压（电压折算到一次）等参数测量值。以被校分压器测得值减去标准分压器测得值作为误差值并填入记录表，试验次数为3次。然后交换输入通道重复测量3次。8.7 指数波响应校验 在雷电冲击电压校验后，保留波头电阻，把波尾电阻调整为标准操作波的波尾电阻。 校验时使用冲击电压发生器产生相当于标准分压器额定电压80%100%的近似指数波，根据数字记录示波器或暂态记录仪录下的指数波形，幅值归一化后，把视在原点叠合并计算两路波形的上升沿所夹面积，得到响应时间差并填入记录表，试验次数为3次。然后交换输入通道重复测量3次。8.8 操作冲击电压校验在指数波响应校验之后，调试冲击电压发生器产生波前时间17.5s25s，视在半峰值时间2500s3250s的标准操作冲击波，峰值电压为标准分压器额定电压的70%100%。根据数字记录示波器或暂态记录仪录下的操作冲击电压波形，对采样得到的数字量按参数的定义进行处理计算，得到波前时间，半峰值时间，峰值电压（电压折算到一次）等参数测量值。以被校分压器测得值减去标准分压器测得值作为误差值并填入记录表，试验次数为3次。然后交换输入通道重复测量3次。8.9 实验响应时间和振荡幅度比计算测得的被校分压器和标准分压器指数波响应时间差加上标准分压器的实验响应时间作为被校分压器的实验响应时间。在被校分压器和标准分压器测得的雷电冲击波图上求出叠加在双指数波峰值附近的振荡幅值。取两者之差与峰值幅度之比作为被校分压器的振荡幅度比。9 校准数据处理及校准结果9.1 校准数据处理9.1.1 校准数据填入表4，并进行统计处理。表4 校准数据记录表项目：高压臂电阻值或电容值测量标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差测 量 结 果项目：输出端口阻抗测量标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差输出阻抗项目：同轴电缆特性阻抗测量标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差终端短路（LC）终端开路（CC）ZC 项目：雷电冲击电压校验 试验电压： kV标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差峰值电压误差波前时间误差半波时间误差响应时间振荡幅度振荡频率 项目：指数波响应校验 试验电压： kV标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差响应时间差 项目：操作冲击电压校验 试验电压： kV标准仪器名称型 号编 号证 书 号检定（校准机构）有 效 期测 量 序 号123456平均值标准差峰值电压误差波前时间误差半波时间误差9.1.2 按第8条给出的方法计算被校分压器同轴电缆特性阻抗，雷电冲击波和操作冲击波的峰值测量误差，波前时间误差，半峰值时间误差以及响应时间和振荡幅度比。9.1.3 被校准冲击分压器的分压比误差按雷电波和操作波分别计算。其数值等于雷电冲击波和操作冲击波的峰值测量电压误差与峰值电压之比，即=，式中n为分压比，U1为一次电压峰值，k为标准分压器的分压比，U2为数字测量仪测得的由标准分压器同轴电缆输入的峰值电压。9.2 校准结果校准结果应在校准证书或校准报告上反映。校准证书或报告至少包括以下信息： a) 标题，如“校准证书”或“校准报告”； b) 承担校准任务的实验室名称和地址； c) 校准地点； d) 证书或报告的唯一性标识（如编号）。每页及总页数的标识； e) 申请校准单位名称及地址； f) 被校冲击分压器的主要技术参数及编号； g) 校准日期； h) 校准依据的技术规范； i) 校准用标准仪器设备的准确度、证书号、检定（或校准）单位和有效期限； j) 校准环境的描述； k) 按第8条内容给出校准结果及测量不确定度（测量不确定度的评估见附录）； l) 校准证书或校准报告签发人的签名及日期； m) 校准结果仅对被校对象有效的声明； n) 未经承担校准任务的实验室批准，不得部分复制证书或报告的声明。10 校准间隔 新制造和修理后的冲击分压器，校准间隔为两年。使用中的冲击分压器，如果连续两个校准间隔的数据在统计误差之内，校准间隔可以延长到五年。附录A电阻型冲击分压器二次匹配特性设电阻分压器低压臂电阻值为R2，同轴电缆特性阻抗为ZC，设同轴电缆无畸变，ZC为实数。信号传输采用始端匹配，终端开路方式，在同轴电缆芯线与分压器二次输出端之间接入匹配电阻RC=ZCR2。均匀长线的微分方程为： 对均匀线方程用拉氏变换方法求解，代入边界条件后得到拉氏算子方程。方程中U1和I1对应x=0，U2和I2对应，I1取流入方向，I2取流出方向。令，得到： 终端开路时I2=0，于是有： 入端阻抗为： 当电压U施加到分压比为k的电阻分压器时，同轴电缆入端电压为：=同轴电缆终端电压为： =如果使用无畸变传输线，则有=，于是=式中为电磁波在同轴电缆的波速, 为电磁波在电缆中传输时间。于是有：上式表明，传输线的损耗使分压器系统的分压比增加倍，传输过程使信号发生时延，结果始端的信号由变为终端的。终端接电阻R=ZC匹配时，于是有： 入端阻抗为： 当电压U施加到分压比为k的电阻分压器时，同轴电缆入端电压为：同轴电缆终端电压为： =计算表明，同轴电缆在两端匹配情况下，信号在传输线的衰减和时延情况与终端开路情况相同。 只是分压比等于终端开路时的两倍。附录B阻尼电容型冲击分压器二次匹配特性设阻尼电容型冲击分压器低压臂电容量为C2，阻尼电阻值为R2。始端匹配时，在分压器输出端串入匹配电阻RC，使RC+R2=ZC。终端开路时I2=0，于是有： 入端阻抗为： 当电压U施加到分压比为k的阻尼电容型分压器时，同轴电缆入端电压为：=同轴电缆终端电压为： =如果使用无损传输线，则有=0, =0，于是：=式中为电磁波在同轴电缆的波速, 为电磁波在电缆中传输时间。并令，即有：当输入为阶跃波时，响应为： 的极点是p=0，因此 上式表明，在采用无损同轴电缆，阻尼电容型分压器始端匹配，终端开路时，分压器系统的分压比与电阻型相比增加了倍。为电缆芯线与屏蔽之间的电容。终端接电阻R=ZC和电容C=C2匹配时，于是有： 入端阻抗为： 当电压U施加到分压比为k的阻尼电容型分压器时，同轴电缆入端电压为：同轴电缆终端电压为： =当输入为阶跃波时，响应为： 的极点是p=0，因此上式表明，在采用无损同轴电缆，阻尼电容型分压器两端匹配时，分压器系统的分压比与电阻型相比增加了倍。为电缆芯线与屏蔽间的电容。附录C 串级冲击测量系统的方波响应特性冲击测量系统由阻尼电阻、高压引线、冲击分压器、匹配阻抗、同轴电缆、冲击示波器和冲击峰值电压表组成。如果不考虑信号的空间效应，系统中的每个单元都可以视作四端网络，信号从串级系统的输入端进入，顺序经过各个串级网络到达输出端，前一个网络的输出电压是下一个网络的输入电压。用电压、电流和传输网络参数的象函数表示第N个网络的电路方程为：其中IN为流入方向，IN+1为流出方向。设传输终端所接负荷阻抗为，则终端电流为：于是有： 输入阻抗为： 当入端电压为时，出端电压为：=这样可以计算得到第N个网络的输入阻抗，电压传递函数参数。仿照第N个网络的传递函数计算方法，用的值可求得第N1个网络的入端阻抗和电压传递函数。如果第一个网络输入电压为，串级系统的输出为：式中为输出电压，为输入电压，为各传递函数的乘积。设g(t)是UN+1(p)的归一化源函数，为归一化象函数，根据冲击测量系统实验响应时间的定义，此测量系统的实验响应时间为： = = =于是 = 即： 其中 为各传递函数的方波响应时间。于是有如下结论：串级冲击测量系统的实验响应时间是各个传递函数实验响应时间之和。必须指出，只有在影象阻抗匹配情况下，第i个传递函数与第i个传输网络参数之间才有对应关系，部件的实验响应时间才是常量。这时可以说，串级冲击测量系统的实验响应时间是各个传输网络实验响应时间之和。一般情况下，第i个传递函数除了与第i个传输网络参数有关外，还与在它后面的所有N-i个传输网络参数以及终端阻抗有关系，因此第i个传递函数与第i个传输网络参数之间没有对应关系。换句话说，组成串级冲击测量系统的各个部件的实验响应时间并不能由部件本身决定，它不是一个常量，因此不能用各部件在某种特定匹配状态下的实验响应时间去计算其它匹配状态下总的实验响应时间，同样也不能用各部件的峰值误差之和计算总的峰值误差。附录D高压引线的冲击响应特性冲击分压器的高压引线在校验情况下要尽量与使用情况下相同或接近相同。这是因为冲击分压器高压引线的波阻抗一般不可能与分压器的输入阻抗匹配，这样在冲击分压器的高压引线两端将发生波的反射，通常信号在引线的传输时间要小于波头时间，结果使冲击分压器的响应时间减小。这一现象可以通过高压引线分布参数电路计算说明。 单位方波输入到带阻尼电阻Zr的引线上，设引线的波阻抗为ZC，则引线入端电压的拉氏变换为： 入射电压在终端被反射，反射系数, Z为终端负荷阻抗。反射电压为：引线终端电压为入射电压与反射电压之和： 反射电压沿引线向入端传播，引线入端反射系数为：反射波在引线始端入射，大小为： 经过时间2后反射波再到达终端。终端电压为入射波与反射波之和。 +多次反射后，终端电压为： 设G(p)为测量系统的传输特性，则系统的响应为： G(p)对系数归一化后，得到归一化的响应： 系统的方波响应时间是各个传输函数的方波响应时间之和，故得到 , 计算 = 若，则 无阻尼电阻时，则 。附录E冲击分压器指数波响应特性 冲击电压发生器产生的理论波形为双指数波，其波形曲线为：。可以用它产生视在波前时间0.84s1.2s，视在半峰值时间2500s3250s的近似指数波。调波时可使用标准雷电波的波头电阻使，使用标准操作波的波尾电阻使。上述双指数波到达峰值的时间可用极值条件求出，令，即。得到 = 28ms，此时幅值达到储能电容充电电压的0.9998。而幅值达到0.998的时间为2.53s，可见该波形十分接近指数波。用它代替指数波测量响应时间，其误差可以忽略。若定义指数波响应时间为理想分压器在输入指数波时输出波形的响应时间与被校分压器输入指数波时输出波形的响应时间之差。可以证明，对于线性测量系统，分压器的指数波响应时间等于实验响应时间。分压器指数波响应时间为：= = = 为归一化象函数 = 分压器实验响应时间为： = = = 为归一化象函数 =于是有：，即分压器的实验响应时间等于指数波响应时间。校准时需要使用标准冲击分压器代替理想分压器，而标准冲击分压器的实验响应时间不等于零，需要对由此引入的测量误差进行修正。设分压器传输函数有一阶极点=，它的指数波归一化响应为：。分压器实验指数波响应时间为：+=于是有： 也就是说，实验得到的指数波响应时间加上标准分压器的指数波响应时间才等于被校分压器的指数波响应时间，也等于它的实验响应时间。附录F冲击分压器校准不确定度分析 按本规范进行的各项校准操作，所得结果的测量不确定度与使用的仪器及设备的准确度有关，也与测量操作有关。F1 高压臂电阻值或电容值测量不确定度1）电桥或测量仪误差 按测量示值误差考虑，均匀分布，认为有90%的可靠性，自由度50。2）测量的随机误差取表4中高压臂电阻值或电容值测量项目6次测量的统计标准差s2, 自由度5。3）高压臂电阻值或电容值测量不确定度按下式综合： 5）高压臂电阻值或电容值测量不确定度的自由度按下式综合： F2 输出端口阻抗测量不确定度1）电桥或测量仪误差 按测量示值误差考虑，均匀分布，认为有90%的可靠性，自由度50。2）测量的随机误差取表4中输出端口阻抗测量项目6次测量的统计标准差s2, 自由度5。3）输出端口阻抗测量不确定度按下式综合： 5）输出端口阻抗测量不确定度的自由度按下式综合： F3 同轴电缆特性阻抗测量不确定度1）电桥或测量仪误差 按测