CN114167246A - 防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法及评估 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法及评估，包括以下步骤1、在电压上升过程中，对时间进行分段；2、依据不同的时间段，利用区间的电压，计算相应的电压上升率；3、根据不同区间中，个别电压上升率值偏离值大，认为是干扰，直接设定阈值进行剔除，优化相应的区间段；4、根据不同电压上升率均值计算方法，首先，终止值与起始值之差与上升时间的比值，其次，剔除异常序列后的电压上升率的平均值，计算两个均值之间的差值，设定相应的阈值；并根据两种均值计算分别计算相对应的标准偏差，得到两个标准差的平均值，设定相应阈值，根据差值和标准差平均值的阈值情况，对电压上升率进行优劣评估。

Description

防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法及评估

技术领域

本发明涉及防雷检测技术领域，尤其涉及一种防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法及评估。

背景技术

防雷元件检测仪是一款应用于电信、电力、气象、机房、电力配电线路、铁塔输电线路、加油站、工厂接地网等防雷设施的避雷器性能测试仪器，常用于金属氧化物压敏电阻，气体放电管等过压防护元件的直流参数等各个指标的测量，从而在此基础上评价防雷器件的性能。

国标规定，防雷元件测试仪在投入使用后，需要每年进行校准和检定。当对防雷元件测试仪进行检定时，检定人员一般需要关注如下参数：

起始动作电压，一般不大于2000V，最大允许误差一般不超过±0.5％～±2％；

恒流电流，一般为1mA，其最大允许误差一般不超过±5μA～±20μA；

泄漏电流，在0.1μA～199.9μA范围内，其最大允许误差一般不超过±2％；

直流击穿电压，一般不大于2000V，最大允许误差一般不超过±2％；

电压上升速率，击穿电压的上升速率一般为100V/s，最大允许误差一般不超过±10％；

其中，如何对电压上升速率的误差进行有效的评估，是一个比较棘手的问题。目前，采用的传统评估方法为：对电压的上升过程进行监测，当电压上升到目标电压的10％时，记录下此时的实际电压U₁以及当前时间T₁；当电压上升到目标电压的90％时，记录下此时的实际电压U₂以及当前的时间T₂，再利用公式(1)可以计算出这两点之间的平均斜率k，并将其做为电压上升速率。

简单分析得知，以上方法具有较大的缺陷，首先，计算得出的平均斜率k值反映的是电压上升过程中的平均上升速率，却无法证明电压上升时，其在每一刻的上升速率均符合要求；其次，平均斜率k值的计算仅仅取决于两个电压测量点，容易受到测量过程中的干扰影响，尤其是被检测试仪的高压源不稳定时，斜坡电压存在较大纹波，可能会在T₁， T₂时刻给电压测量值带来较大误差，从而影响上升斜率的准确测量，最终导致计算出的平均斜率k值误差过大。

当对电压上升速率进行评估时，我们希望找到一种方法，这种方法能够告诉我们，目前被测电压上升曲线的上升速率是否符合100V/s(1±10％)的要求。这包括：被测电压上升曲线在上升速率最小时是否符合要求；被测电压上升曲线在上升速率最大时是否符合要求；被测电压上升曲线的平均上升速率是否符合要求。对此，本文提出了一种基于区间斜率分析的电压上升速率误差评估方法，来对电压上升速率的误差进行全面的评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法及评估，能够剔除外部脉冲电压和纹波对测量结果的影响，进一步提高测量的精度，从而增强评估的有效性。本发明采用的技术方案为：

一种防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：针对电压上升曲线，获得离散的采样信号序列S及子序列S₁、S₂…S_n；

A：以10kHz的采样速率，对电压上升曲线进行采样，得到离散的采样电压信号序列S；

B：将采集到的电压信号序列S以一定的时间间隔周期划分为多个子序列，划分时间间隔周期设为ΔT，间隔周期ΔT选择范围为：500～1000毫秒，子序列为S₁、S₂…S_n；其中S＝[S₁、S₂…S_n]；

步骤二：构建剔除异常值的区间斜率集合K_r以及对应的新的电压信号序列S_r；

C：利用公式(1)计算出每个子序列内的区间斜率k；记为k₁、k₂…k_n；

其中，T_1i与T_2i分别为区间的起始时间与结束时间，u_1i为T_1i时间点对应的实际电压， u_2i为T_2i时间点对应的实际电压；

D：遍历各个区间斜率，剔除所有区间斜率值大于200V/s和小于50V/s的区间子序列，得到剔除了异常值的区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r；

步骤三：针对区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r进行分析计算；

E：遍历区间斜率集合K_r，找出集合中最大区间斜率k_max和最小区间斜率k_min，求集合中斜率的均值k_avr；

(1)方式一，求得的集合中斜率的均值记为k_avr1，如公式(2)所示：

其中，t_s-last与t_s-first分别为剔除了异常值的电压信号序列Sr中的最后一个采样时间点和第一个采样时间点，V_s-last与V_s-first则为这两个时间点分别对应的采样电压数值；

(2)方式二，求得的集合中斜率的均值记为k_avr2，如公式(3)所示：

其中m为剔除了异常值的区间斜率集合K_r中的斜率数值个数，k₁+k₂+…+k_m为剔除了异常值的区间斜率值之和；

F：利用公式(4)求区间斜率集合Kr的样本标准差S_k，

其中m为剔除了异常值的斜率集合K_r中的斜率数值个数，k₁，k₂…k_i…k_m为剔除了异常值的区间斜率值，由于步骤E中通过两种方式求的集合中斜率的均值 k_avr1、k_avr2，所以，通过公式(4)求得两个不同的样本标准差结果，记为S_k1和S_k2；通过样本标准差结果，评估电压上升过程中的速率波动幅度；

G：利用公式(5)求集合中斜率的均值k_avr1和k_avr2的斜率差值d_k，

d_k＝k_avr1-k_avr2 (5)

综上所述，获得参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k。

防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的评估，

通过权利要求1获得的参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k，对电压上升曲线的质量进行评估，如下：

H：在测试中，击穿电压的上升速率一般为100V/s，最大允许误差不超过±10％，因此，对于合格的电压上升曲线而言，k_max和k_min应该符合如下公式(6)和公式(7)的要求：

90V/s<k_max<110V/s (6)

90V/s<k_min<110V/s (7)

I：S_k1、S_k2、d_k，此三者反映了电压上升过程中的纹波波动情况，对于合格的高压源而言，这三者参数应该满足公式(8)的要求：

本发明的有益效果：

1、在电压上升过程中，对时间进行分段；

2、依据不同的时间段，利用区间的电压，计算相应的电压上升率；

3、根据不同区间中，个别电压上升率值偏离值大，认为是干扰，直接设定阈值进行剔除，优化相应的区间段。

4、根据不同电压上升率均值计算方法，1、终止值与起始值之差与上升时间的比值，2、剔除异常序列后的电压上升率的平均值，计算两个均值之间的差值，设定相应的阈值；并根据两种均值计算分别计算相对应的标准偏差，得到两个标准差的平均值，设定相应阈值，根据差值和标准差平均值的阈值情况，对电压上升率进行优劣评估。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的正常恒压源模拟仿真波形图；

图3为本发明的正常恒压源模拟仿真波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤一：针对电压上升曲线，获得离散的采样信号序列S及子序列S₁、S₂…S_n；

A：以10kHz(该频率可根据实际的采样速率选择)的采样速率为例，对电压上升曲线进行采样，得到离散的采样电压信号序列S；

B：将采集到的电压信号序列S以一定的时间间隔周期划分为多个子序列，划分时间间隔周期设为ΔT，间隔周期ΔT选择范围为：500～1000毫秒，子序列为S₁、S₂…S_n；其中S＝[S₁、S₂…S_n]；

步骤二：构建剔除异常值的区间斜率集合K_r以及对应的新的电压信号序列S_r；

C：利用公式(1)计算出每个子序列内的区间斜率k；记为k₁、k₂…k_n；

其中，T_1i与T_2i分别为区间的起始时间与结束时间，u_1i为T_1i时间点对应的实际电压， u_2i为T_2i时间点对应的实际电压；

D：遍历各个区间斜率，剔除所有区间斜率值大于200V/s和小于50V/s的区间子序列，其中200V/s、50V/s为阈值，得到剔除了异常值的区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r；

步骤三：针对区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r进行分析计算；

E：遍历区间斜率集合K_r，找出集合中最大区间斜率k_max和最小区间斜率k_min，求集合中斜率的均值k_avr；

(1)方式一，求得的集合中斜率的均值记为k_avr1，如公式(2)所示：

其中，t_s-last与t_s-first分别为剔除了异常值的电压信号序列Sr中的最后一个采样时间点和第一个采样时间点，V_s-last与V_s-first则为这两个时间点分别对应的采样电压数值；

(2)方式二，求得的集合中斜率的均值记为k_avr2，如公式(3)所示：

其中m为剔除了异常值的区间斜率集合Kr中的斜率数值个数，k₁+k₂+…+k_m为剔除了异常值的区间斜率值之和；

F：利用公式(4)求平均斜率集合Kr的样本标准差S_k，

其中m为剔除了异常值的斜率集合K_r中的斜率数值个数，k₁，k₂…k_i…k_m为剔除了异常值的区间斜率值，由于步骤E中通过两种方式求的集合中斜率的均值k_avr1、k_avr2，所以，通过公式(4)求得两个不同的样本标准差结果，记为S_k1和S_k2；通过样本标准差结果，评估电压上升过程中的速率波动幅度；

G：利用公式(5)求集合中斜率的均值k_avr1和k_avr2的斜率差值d_k，

d_k＝k_avr1-k_avr2 (5)

综上所述，获得参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k。

防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的评估，

通过上述步骤获得的参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k，对电压上升曲线的质量进行评估，如下：

H：在测试中，击穿电压的上升速率一般为100V/s，最大允许误差不超过±10％，因此，对于合格的电压上升曲线而言，k_max和k_min应该符合如下公式(6)和公式(7)的要求：

90V/s<k_max<110V/s (6)

90V/s<k_min<110V/s (7)

I：S_k1、S_k2、d_k，此三者反映了电压上升过程中的纹波波动情况，对于合格的高压源而言，这三者参数应该满足公式(8)的要求：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先需要对电压上升曲线以一定的采样速率进行采样，使用模数转换芯片进行采样，模数转换芯片将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，之后这些数字信号传输给CPU进行后续的计算。其中，采样速率采用10kHz，采样速率是可以调整的，10kHz是根据采样精度和内部存储空间限制给出的推荐值，降低采样率将会降低后续的斜率计算精度，但是会减少对存储空间的消耗；提高采样率可以提高后续的斜率计算精度，但是需要使用更多的存储空间，所以，根据项目使用情况和经验，选择合适的采样速率。

之后，将采集转换后的电压信号进行排序，得到离散的采样信号序列S。

随后，再将采集到的电压信号序列以一定的时间间隔周期Tx，划分为多个子序列，实施例中，ΔT＝1000毫秒，多个子序列分别为S₁、S₂…S_n。

利用公式(1)计算出每个子序列内的区间斜率k；记为k₁、k₂…k_n；

其中，T_1i与T_2i分别为区间的起始时间与结束时间，u_1i为T_1i时间点对应的实际电压， u_2i为T_2i时间点对应的实际电压；

遍历各个区间斜率，剔除所有区间斜率值大于200V/s的区间子序列，得到剔除了异常值的区间斜率集合Kr以及对应的电压信号序列Sr；

其中，对异常值进行剔除，这里的剔除依据为剔除所有斜率结果大于200V/s(相当于一个阈值)的区间，阈值的设定根据项目具体情况和经验值进行确定，这些区间由于电源纹波，导致计算得出的斜率异常偏大。以下进行举例说明：

1.如果存在斜率k1、k2、k3、k4，它们的斜率分别为110V/s、210V/s、105V/s、120V/s，则应该将k2剔除，同时将对应的电压信号序列S2剔除；

2.如果存在斜率k1、k2、k3、k4，它们的斜率分别为110V/s、210V/s、45V/s、120V/s，则k2、k3应该被剔除，同时将对应的电压信号序列S2、S3剔除。

完成以上步骤后，便可以产生新的剔除了异常值的斜率集合Kr以及对应的新的电压信号序列Sr。

之后，遍历区间斜率集合Kr，找出集合中最大区间斜率k_max和最小区间斜率k_min，求集合中斜率的均值k_avr。

最大区间斜率k_max反应了电压上升过程中，其所在区间为所有区间中上升斜率最快的区间；换句话说，k_max对应的这个区间，是构成整个电压上升曲线的所有区间中，上升斜率最快的那个区间。同理，最小区间斜率k_min反应了电压上升过程中，其所在区间为所有区间中上升斜率最慢的区间；换句话说，k_min对应的这个区间，是构成整个电压上升曲线的所有区间中，上升斜率最慢的那个区间。

求集合中斜率的均值k_avr，本发明采用两种求值算法：

(1)方式一，求得的集合中斜率的均值记为k_avr1，如公式(2)所示：

其中，t_s-last与t_s-first分别为剔除了异常值的电压信号序列Sr中的最后一个采样时间点和第一个采样时间点，V_s-last与V_s-first则为这两个时间点分别对应的采样电压数值；

(2)方式二，求得的集合中斜率的均值记为k_avr2，如公式(3)所示：

其中m为剔除了异常值的区间斜率集合Kr中的斜率数值个数，k₁+k₂+…+k_m为剔除了异常值的区间斜率值之和；

利用公式(4)求平均斜率集合Kr的样本标准差S_k，

其中m为剔除了异常值的斜率集合Kr中的斜率数值个数，k₁k₂…k_i…k_m为剔除了异常值的区间斜率值，由于步骤E中通过两种方式求的集合中斜率的均值k_avr1、k_avr2，所以，通过公式(4)求得两个不同的样本标准差结果，记为S_k1和S_k2；通过样本标准差结果，评估电压上升过程中的速率波动幅度；

利用公式(5)求集合中斜率的均值k_avr1和k_avr2的斜率差值d_k，

d_k＝k_avr1-k_avr2 (5)

综上所述，获得参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k。

通过上述获得的参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k，对电压上升曲线的质量进行评估，以下分步说明：

1、k_max、k_min，这两者分别反映了电压上升过程中的最快斜率与最慢斜率。在测试中，击穿电压的上升速率一般为100V/s，最大允许误差一般不超过±10％。因此，对于合格的电压上升曲线而言，此两者应该符合如下公式(6)、公式(7)的要求：

90V/s<k_max<110V/s (6)

90V/s<k_min<110V/s (7)

2、S_k1、S_k2、d_k，此三者反映了电压上升过程中的纹波波动情况，对于合格的高压源而言，这三者参数应该满足公式(8)的要求：

下面，使用仿真软件对评估进行仿真验证。

首先生成仿真用的电压上升曲线，此曲线上升速率为100V/s，持续时长为20秒。在曲线的0～5秒阶段叠加20V纹波，在曲线的5～15秒处叠加10V纹波，在曲线的15～20 秒处叠加100V纹波，以模拟正常恒压源的工况。最终曲线如图2所示。

分区间求出区间斜率，并剔除其中斜率大于200V/s的项，结果如图3所示。

对以上数据进行计算，得出k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k，并整理成下表：

防雷元件测试仪斜坡电压上升斜率是否合格需要同时考虑斜坡电压的斜率和高压源质量，即斜坡电压斜率极值应不超过90V/s～110V/s区间，并且标准差1、标准差2和均值差异的平均值不超过5。任何一项不合格即判定斜坡电压上升斜率不合格。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：针对电压上升曲线，获得离散的采样信号序列S及子序列S₁、S₂…S_n；

A：以10kHz的采样速率，对电压上升曲线进行采样，得到离散的采样电压信号序列S；

B：将采集到的电压信号序列S以一定的时间间隔周期划分为多个子序列，划分时间间隔周期设为ΔT，间隔周期ΔT选择范围为：500-1000毫秒，子序列为S₁、S₂…S_n；其中S＝[S₁、S₂…S_n]；

步骤二：构建剔除异常值的区间斜率集合K_r以及对应的新的电压信号序列S_r；

C：利用公式(1)计算出每个子序列内的区间斜率k；记为k₁、k₂…k_n；

其中，

与

分别为区间的起始时间与结束时间，

为

时间点对应的实际电压，

为

时间点对应的实际电压；

D：遍历各个区间斜率，剔除所有区间斜率值大于200V/s和小于50V/s的区间子序列，得到剔除了异常值的区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r；

步骤三：针对区间斜率集合K_r以及对应的电压信号序列S_r进行分析计算；

E：遍历区间斜率集合K_r，找出集合中最大区间斜率k_max和最小区间斜率k_min，求集合中斜率的均值k_avr；

(1)方式一，求得的集合中斜率的均值记为k_avr1，如公式(2)所示：

其中，

与

分别为剔除了异常值的电压信号序列Sr中的最后一个采样时间点和第一个采样时间点，

与

则为这两个时间点分别对应的采样电压数值；(2)方式二，求得的集合中斜率的均值记为k_avr2，如公式(3)所示：

其中m为剔除了异常值的区间斜率集合K_r中的斜率数值个数，k₁+k₂+…+k_m为剔除了异常值的区间斜率值之和；

F：利用公式(4)求区间斜率集合Kr的样本标准差S_k，

其中m为剔除了异常值的斜率集合K_r中的斜率数值个数，k₁，k₂...k_i...k_m为剔除了异常值的区间斜率值，由于步骤E中通过两种方式求的集合中斜率的均值k_avr1、k_avr2，所以，通过公式(4)求得两个不同的样本标准差结果，记为S_k1和S_k2；通过样本标准差结果，评估电压上升过程中的速率波动幅度；

G：利用公式(5)求集合中斜率的均值k_avr1和k_avr2的斜率差值d_k，

d_k＝k_avr1-k_avr2 (5)

综上所述，获得参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k。

2.基于权利要求1所述的防雷元件测试仪检定参数电压上升速率的评估，其特征在于：

通过权利要求1获得的参数k_max、k_min、k_avr1、k_avr2、S_k1、S_k2、d_k，对电压上升曲线的质量进行评估，如下：

H：在测试中，击穿电压的上升速率一般为100V/s，最大允许误差不超过±10％，因此，对于合格的电压上升曲线而言，k_max和k_min应该符合如下公式(6)和公式(7)的要求：

90V/s＜k_max＜110V/s (6)

90V/s＜k_min＜110V/s (7)

I：S_k1、S_k2、d_k，此三者反映了电压上升过程中的纹波波动情况，对于合格的高压源而言，这三者参数应该满足公式(8)的要求：

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