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JJG1115-2015《局部放電校準器檢定規程》解讀

發布時間:2017-11-22

一、制定背景

局部放電測量儀用于測量電氣系統的局部放電量,以此來評價電氣系統的絕緣性能。過去的電氣設備如開關、變壓器、互感器和電纜等主要以液體(油)和氣體(六氟化硫)絕緣,隨著技術進步,許多電氣設備改用固體絕緣,比如現在電纜大部分采用固體絕緣。固體絕緣無法用傳統的實驗液體(油)和氣體(六氟化硫)絕緣的方法來評價電氣系統的絕緣性能。局部放電是由于絕緣體內部或絕緣表面局部電場特別集中而引起的,通常這種放電表現為持續時間納秒量級的脈沖,可用于各種絕緣介質的電氣系統。

局部放電測量中的實際測量量值不是內部實際發生的放電電荷量,而是反映在被試品端部脈沖的電荷量值,稱為視在電荷量(apparent charge,以下簡稱“電荷量”)。實際測量的視在電荷量很小,常用庫倫c-12皮庫(pC)來表示。如何對局部放電測量系統的皮庫量進行溯源,需要通過局部放電校準器實現。值得注意的是,由于實際的絕緣劣化不僅與放電的程度有關,還與放電的波形及重復率都有直接關系,因此,在有關局部放電測量的國際和國家標準(IEC60270以及GB/T7354)中對局部放電校準器(以下簡稱“校準器”)的諸多參數都有詳細的要求。

JJG1115-2015《局部放電校準器檢定規程》(2015年6月15日發布,自2015年9月15日開始實施)以電荷量為核心參數建立相應的指標體系,對校準器進行等級劃分。電荷量的溯源方法為電流積分的方式,即電流時間(It)法,由此符合了放電量庫倫的定義。符合相關標準要求的同時,比按電壓電容(UC)法更易減少方法誤差。電荷的計量在我國尚未正式開展,本規程的適用范圍、技術要點,以及施行中容易產生的問題,均需加以說明。筆者作為規程起草人望借助此文,以使規程能完整、正確地實施。

二、規程的主要內容

1.規程等級劃分

本規程從構建局部放電視在電荷量量傳體系出發,按照校準器輸出電荷量的準確度等級將校準器分為三級:2級、5級和10級。根據現行國標中規定局部放電測量儀電荷量刻度因數指標為5%的要求,承擔著對地區、部門或組織內局部放電測量儀電荷量的量值傳遞任務的校準器,應該為2級校準器;而用于確保日常局放測量結果準確的校準器可以是5級校準器和10級校準器。根據校準器輸出電荷量的計量性能,按量程對校準器進行等級劃分(見表1)。


<CTSM> 表1 校準器輸出電荷量要求</CTSM>

電荷的測量誤差是相對誤差。電荷的量表示的是電荷的多少,用相對誤差表示最為合適。局部放電測量的國家標準和IEC標準都用相對誤差表示,過去由于沒有國家計量檢定規程,只好借用其他標準和規程的方法。由于每種計量器具具有不同的工作原理和用途,這些標準或規程規定的方法不能適應局部放電測量的要求。比如測量局部放電校準器的階躍電壓的測量,若參照國家計量技術規范JJF1174-2007《數字信號發生器校準規范》之5.3(見附件)的規定,輸出電平的最大允許誤差:±(0-5~2)dB,按百分數誤差計算為±(5-6~20.6)%。第11條規定(Δt)時間測量:±2%±100ps。在測量局部放電量時,使用示波器,依據JJG262-1996《模擬示波器檢定規程》第1條規定垂直偏轉系數:±2%;第2條規定頻帶寬度-3dB,按百分數誤差計算為±29.3%;第3條規定垂直位移線性誤差:±5%;第6條規定(ΔV)幅度測量:±2%。這樣測量的數據,其測量結果的不確定度無法滿足國際電工委員會標準IEC60270:2000和國家標準GB/T7354-2003《局部放電測量》的要求:校準器輸出電荷量的宜優于±5%。本規程采用了國際上先進的基于電荷量的準確度要求和誤差表達方法,過去的測量方法和測量設備無法滿足其測量要求。因此必須按照本規程進行檢定,才能滿足要求。

2.規程指標體系

本規程以“電荷量”為核心,以“波形參數”、“階躍電壓與分度電容”、“內阻”等為輔助指標,建立了校準器特性參數的質量控制體系。理論上校準器輸出電流脈沖的波形與電荷量無關,但是考慮到局部放電校準器的用途中有部分局放儀以脈沖峰值來標定電荷量,而且不同脈沖波形的頻譜分量也不同,因此,若僅有電荷量指標滿足要求,而波形過于緩慢、校準器自身內阻過大等,這個電荷源也不是符合規程要求的局部放電校準器。

舉例來說,若以分度電容10pF、100pF和1000pF來建立局部放電校準器。圖1是輸出電荷量同為50pC電荷量的脈沖波形,電容量越大脈沖幅值越低。分度電容為1000pF時校準器輸出脈沖峰值過低,在圖1中未畫出外,脈沖寬度過大也超出了局放脈沖的指標范圍。圖2是兩個不同校準器在輸出50pC電荷量時波形比較圖,圖2(a)和(b)中校準器的分度電容的容量都為10pF,差別僅為串聯電感不同,因此波形振蕩量指標能反映回路電感的問題。圖3則是一個回路雜散參數對校準器輸出脈沖更為嚴重的情況。因此,為了首先剔除明顯不合格的情況,本規程設定的波形參數中除了IEC推薦的階躍波上升時間外,還增加了在脈沖振蕩量方面的要求,同時不對該參數進行過于嚴格的指標規定。


<CTSM> 圖1 不同分度電容校準器輸出50pC電荷量時的波形圖</CTSM>


<CTSM> 圖2 相同分度電容值的兩個校準器輸出50pC電荷量時的波形圖</CTSM>

3.電荷量檢定方法

本規程針對核心量值電荷量的測量方法為電流積分的方法,即將電荷量溯源至電流和時間(It法),這種方法既是IEC和國標推薦的方法,又是符合庫侖定義的方法,較之電壓電容法(UC法)具有優勢。對于5級和10級校準器進行的是直接基于脈沖波形的積分測量電荷量的方法,而對于2級校準器的是比較測量的方案,將被測脈沖電流面積(即電荷量)和標定過的脈沖電流面積比較,這樣有利于消除測量裝置基線、電流電壓轉換部分等因素引入的測量不確定度。

在目前現行有效的部分行業標準或技術法規中,還有將電荷量溯源至電壓和電容(UC法)的方法。這種方法中只考慮校準器的階躍電壓幅值和分度電容容量乘積,無需對校準器輸出脈沖電流進行測量,僅通過計算獲得校準器輸出電荷量,具有簡便易行的優勢。然而,方案在實踐過程中遇到諸多困難,限制了它的應用。首先,校準器作為一個電源,若不考慮其輸出特性,將其割裂僅針對階躍電壓和分度電容容量進行考量,則計量過程無法實現對于如圖3所示的雜散參數影響嚴重的校準器的甄別。其次,在建立溯源鏈方面也存在困難。對階躍電壓幅值和電容容量值測量后合成的測量不確定度可能較大,不能滿足國際標準中5%的指標要求。僅電容量方面,局放校準器的分度電容的容量限制在皮法量級的小電容,如5級和10級校準器通常采用的分度電容為兩端元件的10pF或100pF電容。對于小電荷量的10pF兩端電容,即便是采用萬分之幾準確度等級的阻抗測量儀,其測量誤差也不容忽略,甚至可能高達十分之幾。而階躍波電壓幅值,考慮到過沖等因素,測量不確定度已經在百分之幾了。顯然,對于5級和10級校準器,利用電壓電容法檢定電荷量存在困難。第三,可操作性差。目前由于國際和國標的推行,許多國外以及國內很多廠商生產的校準器不能打開,不提供電壓和分度電容的測量端子,無法實現測量。


<CTSM> 圖3 某校準器輸出脈沖的波形圖</CTSM>

三、規程執行中應注意的問題

1.規程考慮到校準器一般為電池供電方式,容易出現低電量工作的情況。而校準器輸出電荷量具有受工作電壓影響較大的特點,關注校準器工作電壓對輸出電荷量的影響,在校準器穩定性條目中對工作電壓提出了明確的要求。

2.校準器內阻的測試,由于是個指標量,所以考察校準器是否小于各級校準器的內阻指標要求即可,所以在檢定方法上,突出了對指標量的核查,而無需明確測出該校準器的內阻有多小,更為合理和簡便。

3.校準器輸出脈沖波形參數雖然校準電荷量,不是核心量值,但是,它是核查電荷量的必要的前提條件,應該首先進行核查。

4.規程中規定的標準設備,除了在電荷量測量指標上滿足要求外,檢定裝置的頻帶問題也是其作為脈沖測量設備首要應滿足和不容忽視的因素。配置設備以滿足為準,過高的帶寬和采樣率會增加設備的費用。

5.與局部放電校準器相應的局部放電測量儀或測量系統應更為廣泛。雖然國標中規定的局部放電測量儀的頻帶在兆赫茲以下,但是更高頻段的測試系統,如幾十兆赫茲的測量系統適用的局部放電校準器也同樣適用本規程。只是這些校準器輸出的脈沖波形可能更窄,高頻分量更為豐富,對計量設備的頻帶要求高些。另外,局放放電測量的量程從幾個皮庫到幾千皮庫,甚至更大,規程中推薦的計量設備的性能指標很難達到全部兼顧的效果,在執行規程時可根據實際需要對某些參數進行必要的調整。


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