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绝缘系统在高压下易因部分放电（PD）导致失效，PD信号需通过IEC 60270标准校准。传统校准器基于串联电容器施加步电压，但输出电荷受负载阻抗影响，导致校准误差。本文提出两种补偿方法：基于等效电路的负载电容测量补偿和步电压幅值动态调整补偿，并通过实验验证了其有效性，最后给出工业应用操作指南。
阿曼·瓦西格·扎德·安萨里（Arman Vasigh zadeh ansari）和梅赫迪·瓦基利安（Mehdi Vakilian）隶属于伊朗德黑兰沙里夫理工大学（Sharif University of Technology）的电气工程系。
摘要
在高电压应力下，绝缘系统存在故障风险。在发生故障之前，通常会先出现部分放电（Partial Discharge，简称PD）。根据IEC 60,270标准，可以使用耦合设备来测量PD信号。在实际测试环境中使用PD测量仪器之前，必须对其进行校准。PD校准器是一种常用的设备，其功能是注入一个预设的信号，以模拟测试电路的视在电荷。将脉冲注入测试电路后，可以通过应用相应的校准因子来对PD测量仪器进行校准。在大多数传统的PD校准器架构中，会在与校准器输出串联的电容器上施加阶梯电压。本文指出了几种校准器注入的脉冲幅度与用户预期不符的情况，并提出了两种补偿方法来纠正这种不匹配现象。
引言
在高压设备中，当绝缘系统承受高电应力时，可能会发生部分放电（PD），这是导致绝缘性能下降和故障的主要因素。因此，准确测量PD信号对于高压设备的诊断和状态评估至关重要。为了可靠地测量PD信号，需要使用经过校准的PD测量系统。校准后，可以通过传统的电连接方式（PD测量仪与高压设备之间的电气连接）或非传统的连接方式（如[1]、[2]、[3]）来进行PD测量。
在校准PD测量仪之前，通常会通过向测量电路注入参考电流脉冲来确定校准因子。该因子计算为测量信号幅度与注入信号幅度的比值。传统上认为，一旦校准器设置为注入特定电荷，注入的脉冲电荷就与测试电路的特性无关。然而，关于PD测量系统的研究表明，测量系统的响应和校准不确定性会受到校准器、耦合网络及测试电路配置之间相互作用的影响，这意味着测试网络的阻抗会对校准脉冲的有效传输和测量产生影响[5]。先进的PD校准器甚至允许在校准过程中同步生成与电源线频率相同的脉冲，例如Haefely Test AG公司的Tettex 9520型号校准器[6]。在[7]中，通过电容耦合实现了同步电荷注入和电荷检测。
在大多数传统校准器设计中，电流脉冲是通过在串联电容器上施加阶梯电压来产生的[8]。为了注入不同级别的电荷，通常会使用不同类型的串联电容器[9,10]；有时也会使用可调电容器来提高对注入电荷的控制灵活性[11]。在其他方法中，通过在串联电容器之前或之后进行电阻分压来实现不同的注入电荷水平[12,13]。
PD校准器通常与测试装置并联连接，以模拟绝缘层内部产生PD电流脉冲的情况。根据应用场景的不同，测试电路可以通过电力变压器或高压变压器连接到电力网络（在线监测），或者与电源隔离（离线监测）。例如，在[14]中研究了未连接到电力网络的电缆，并从电缆两端注入校准脉冲；而在[15]中，校准过程中测试电路中包含了变压器。
在许多传统校准器设计中，会在电路中添加匹配电阻以改善脉冲波形[16]。测量系统配置对PD校准的重要性也在相关研究中得到体现，这些研究表明校准不确定性受测量阻抗和传感器带宽的影响，尤其是在GIS（Gas-Insulated Switchgear）等复杂测试环境中，这表明需要考虑负载和网络因素对校准结果的影响[17]。然而，大多数校准实践中的一个隐含假设是，注入的脉冲电荷完全由校准器参数决定，而不受其输出端负载的影响。
然而，有研究表明PD校准器的输出行为可能受到连接负载的影响。例如，在[18]中，校准器的输出电压上升时间与负载有关；在[19]中，为了避免高电压设备中的杂散电容，将校准器置于高压侧，其输出明显受到负载的影响；[20]的结果也表明注入的电流脉冲幅度取决于负载阻抗。这种行为与一般认知一致，即当串联电容器和测试电路的电容不可忽略时，电荷传输会受到复合网络的影响，从而需要仔细设置校准条件[21]。
已经提出了生成电流脉冲的替代方法。在[22]中，介绍了一种基于跨导功率放大器的直流脉冲生成方法，该方法通过使用电流镜结构本质上减少了负载依赖性。但由于采用了闭环反馈，注入的脉冲仍受校准器负载的影响。其他方法通过积分电流脉冲来估计PD电荷，但由于数值误差和信噪比的限制，这些方法适用于低于10 pC的电荷[23]。使用前置放大器的改进方案使得能够测量低于1 pC的电荷[24]，但这些方法中注入的电荷量仍然取决于测试装置的负载阻抗。
尽管有这些观察结果，但文献中尚未系统地从理论上解释PD校准器负载如何影响注入的脉冲电荷，也未提出实用的补偿技术。因此，本研究旨在明确测试电路对PD校准精度的影响，并量化由此产生的误差。本文的创新之处在于明确阐述了注入电荷与校准器负载之间的依赖关系，并提出了适用于传统PD校准器结构的实用补偿方法。
第2节解释了PD校准器的理论工作原理。第3节分析了不同负载对注入电荷的影响，并识别出容易出错的关键情况。第5节介绍了两种补偿方法，第6节展示了验证这些补偿方法的实验结果。第7节提供了在实际工业应用中实施补偿方法的逐步指导。
PD校准器的工作原理
PD活动产生的视在电荷实际上是导体中电荷运动的结果。因此，可以通过向电路中注入脉冲电流来轻松模拟和重建这一电荷运动过程。理想的PD校准器可以被视为电流脉冲发生器。原则上，可以使用脉冲发生器中的元件生成狄拉克δ函数形式的脉冲电流。
PD校准误差的概念
如第2节所述，由于PD校准器的使用目的，其输出通常不会被短路。当需要确定绝缘缺陷向电路其余部分注入的视在电荷时，电荷注入的位置是已知的。为了模拟这种视在电荷注入，首先需要将电路断电，然后将校准器连接到电容器的两个端子上。
讨论
表1中选定的校准器串联电容器（C）和测试装置电容器（C_t）的参数使得注入电荷的误差能够被充分观察到。第3节仅用于展示注入电荷存在差异的现象及其理论背景。因此，在表1的某些情况下，由于C和C_t的数值较大，误差较为明显。在实际应用中，操作人员会使用商用校准器。
补偿方法
基于公式（5）和（7）中的脉冲项，本文提出了两种补偿方法，以确保校准器向测试电路注入的标准所需的视在电荷等效脉冲信号。由于公式（5）和（7）中包含电容量的测量需求，这两种方法都需要测量测试装置的电容值。
实验测试结果
在某些工业用校准器中，正负脉冲分别以两种不同的模式生成[30]；而在其他情况下，它们是同时生成的[31]。本研究中使用的校准器属于第二种类型。图9展示了校准器的输入电压（6.5 V直流电压）和输出波形；图10显示了12.5 V的输入电压。
从图9和图10可以推断，通过提高校准器的输入电压……
应用指南
第III节指出，由于使用了与电容器串联的阶梯电压源而非理想的δ形电流源，导致注入电荷的预期值与实际值之间存在固有差异。第V节提出了两种补偿方法。本节提供了在实际应用中的逐步指导：
- 由于注入电荷依赖于校准器电容（公式6和公式7），首先需要确定Thevenin电容……
总结与结论
本文提出并分析了可能导致PD校准器脉冲注入出现显著误差的理论问题。研究表明，由于PD校准器基于阶梯电压激励的固有结构，注入测试电路的脉冲电荷量取决于连接到校准器输出的负载阻抗。这种依赖性在传统校准实践中常被忽略，本文对其进行了数学表述。
CRediT作者贡献声明
阿曼·瓦西格·扎德·安萨里（Arman Vasigh zadeh ansari）：负责撰写初稿、方法论研究、数据分析及概念构建。梅赫迪·瓦基利安（Mehdi Vakilian）：负责审稿与编辑、项目监督及资源管理。
