繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀檢定裝置

王福泉/廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所

0 引言

繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀主要用于檢測(cè)漆包繞組線的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而判斷漆包繞組線的質(zhì)量是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量技術(shù)性能要求。國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)通常對(duì)其試驗(yàn)電壓、擊穿動(dòng)作電流、升壓速度等參數(shù)進(jìn)行檢定，其中升壓速度參數(shù)對(duì)于繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀尤為重要，因?yàn)闄z定時(shí)繞組線是否被擊穿，不僅與承受的電壓值有關(guān)，還和升壓速度密切相關(guān)[1]。目前，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定升壓速度參數(shù)時(shí)，基本采用高壓表測(cè)量電壓，秒表測(cè)量時(shí)間，然后將兩者相除，最后得出升壓速度[2-4]。這種檢定方式，因需要通過(guò)檢定人員啟停秒表來(lái)測(cè)量時(shí)間，得到的升壓速度數(shù)據(jù)的不確定度相對(duì)較大，從而使檢定出的升壓速度數(shù)據(jù)可信程度降低。此外，檢定多個(gè)參數(shù)，需要攜帶操作多種設(shè)備，給現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢定帶來(lái)不便，檢定效率較低。因此，研制出一種專門用于檢定繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀（簡(jiǎn)稱試驗(yàn)儀）的裝置，對(duì)試驗(yàn)儀量值溯源、繞組線產(chǎn)品質(zhì)量提升很有意義。

1 檢定裝置的設(shè)計(jì)原理

檢定裝置的主要功能包括試驗(yàn)電壓、升壓速度、擊穿動(dòng)作電流、電壓持續(xù)時(shí)間[5]。總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示[6-8]。高壓分壓通過(guò)電壓處理單元后送至微控制單元（MCU），這些信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU處理，通過(guò)相關(guān)算法，計(jì)算出電壓有效值，至顯示屏顯示。電流通過(guò)電流處理單元后送至MCU，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU處理，通過(guò)相關(guān)算法，計(jì)算出電流有效值并至顯示屏顯示，同時(shí)在內(nèi)置存儲(chǔ)器中保存并至顯示屏顯示這個(gè)過(guò)程中最大值（擊穿電流值），從而達(dá)到擊穿電流的保存功能。通過(guò)電壓測(cè)量過(guò)程中采集到的電壓信號(hào)控制MCU計(jì)時(shí)器進(jìn)行工作，從而計(jì)算出升壓時(shí)間、電壓持續(xù)時(shí)間。

圖1 總體設(shè)計(jì)原理

2 檢定裝置技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀計(jì)量性能要求，標(biāo)準(zhǔn)器需要滿足技術(shù)指標(biāo)包括[5]交流電壓測(cè)量范圍：0～15 kV，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5級(jí)；交流電流測(cè)量范圍：0～20 mA，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5級(jí)；電壓持續(xù)時(shí)間測(cè)量范圍：1.00 ～ 999.99 s，最大允許誤差：±（0.5%±2個(gè)字）；升壓速度測(cè)量范圍：20～500 V/s，最大允許誤差：±2%。

3 主要功能模塊

3.1 試驗(yàn)電壓

試驗(yàn)電壓為高壓值，其原理如圖2所示。繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀輸出高壓經(jīng)分壓器，變?yōu)檩^易測(cè)量的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理及采樣保持后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，MCU讀取數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算和處理，最后通過(guò)顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。具體過(guò)程為高壓分壓模塊采用高穩(wěn)定低電壓系數(shù)定制電阻（STG45）作為高壓分壓模塊的上段，高壓分壓模塊的下段由精密電阻、高精度放大器（OP07）及電子開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)MCU（STM32F103C8）控制電子開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)控制分壓比。分壓后的低電壓經(jīng)過(guò)由放大器、精密電阻和電子開(kāi)關(guān)組成的可控放大電路使其電壓工作范圍為0.6～2.1 V。通過(guò)MCU的邏輯信號(hào)切換不同的量程。模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊由芯片（AD7402）及周邊電路組成。通過(guò)MCU控制AD7402的數(shù)據(jù)采集，并控制串口顯示屏，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)電壓原理

3.2 升壓速度

3.2.1 升壓速度硬件

升壓速度硬件的原理在進(jìn)入MCU前與試驗(yàn)電壓硬件是一樣的，不同的是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊送入MCU的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后和設(shè)定的值進(jìn)行比較，如這個(gè)數(shù)據(jù)值達(dá)到設(shè)定值，MCU啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，并且同時(shí)將這個(gè)數(shù)據(jù)保存到內(nèi)置存儲(chǔ)器。當(dāng)MCU判斷來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊3個(gè)采樣周期內(nèi)的數(shù)據(jù)都在設(shè)定的閾值區(qū)間內(nèi)，MCU計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并保存此時(shí)的電壓數(shù)據(jù)至內(nèi)置存儲(chǔ)器。MCU通過(guò)提取內(nèi)置存儲(chǔ)器及計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算升壓時(shí)間。

3.2.2 升壓速度軟件

升壓速度程序控制流程如圖3所示。定時(shí)器以穩(wěn)定電壓時(shí)間閾值的三分之一時(shí)間間隔判斷電壓是否大于設(shè)置的升壓?jiǎn)?dòng)電壓值。定時(shí)器以穩(wěn)定電壓時(shí)間閾值的三分之一時(shí)間間隔判斷連續(xù)的3個(gè)電壓值差是否小于升壓穩(wěn)定電壓值。當(dāng)被檢試驗(yàn)儀發(fā)生故障，電壓無(wú)法穩(wěn)定時(shí)，超過(guò)穩(wěn)定電壓時(shí)間閾值時(shí)結(jié)束此次控制流程。檢定裝置的設(shè)置界面，需要設(shè)置3個(gè)重要參數(shù)，1）升壓?jiǎn)?dòng)電壓值：被檢試驗(yàn)儀升壓時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器的電壓閾值；2）升壓穩(wěn)定電壓范圍：被檢試驗(yàn)儀電壓升到一定值時(shí)的允許波動(dòng)范圍；3）穩(wěn)定電壓時(shí)間閾值：采用穩(wěn)定電壓的周期時(shí)間。針對(duì)通過(guò)間隔時(shí)間多次采樣難以判定升壓速度穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，添加了一個(gè)預(yù)設(shè)穩(wěn)定電壓值來(lái)輔助判斷。通過(guò)這3個(gè)功能設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)升壓速度的準(zhǔn)確計(jì)量。

圖3 升壓速度軟件原理

3.3 擊穿動(dòng)作電流

電流輸入必須經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。電流通過(guò)輸入端子進(jìn)入電流采樣單元后，經(jīng)過(guò)采樣電阻R1、R2產(chǎn)生一個(gè)電壓。當(dāng)輸入的電流為0.02～4 mA 時(shí)，電子開(kāi)關(guān)K1、K2為默認(rèn)狀態(tài)，R1兩端的電壓通過(guò)電子開(kāi)關(guān)送入放大電路后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊送入MCU處理；當(dāng)輸入的電流為4～400 mA 時(shí)，電子開(kāi)關(guān)K1、K2動(dòng)作，R2兩端的電壓通過(guò)電子開(kāi)關(guān)送入放大電路后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊送入MCU進(jìn)行處理。圖4中D1、D2、D3、D4由多個(gè)二級(jí)管串聯(lián)而成，通過(guò)二級(jí)管的節(jié)電壓來(lái)確保輸入電流不能過(guò)大。當(dāng)輸入電流過(guò)大，會(huì)在采樣電阻R1、R2上形成一個(gè)大于二極管節(jié)電壓的電壓，并且這個(gè)電壓會(huì)導(dǎo)致二極管組正向?qū)?，達(dá)到保護(hù)采樣電阻R1、R2及后級(jí)放大電路的目的。采樣電阻由多個(gè)精密電阻組成，主要考慮電阻的功率及穩(wěn)定性。通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊的電壓反饋至MCU，從而控制相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)，切換放大器的放大倍數(shù)，達(dá)到切換量程的目的。經(jīng)過(guò)上述兩個(gè)階段后的電壓分別送入模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊，最后經(jīng)信號(hào)處理器處理后顯示對(duì)應(yīng)的電流。

圖4 擊穿動(dòng)作電流采樣電阻網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)語(yǔ)

作為用于繞組線擊穿電壓試驗(yàn)儀計(jì)量檢定的專用設(shè)備，裝置不僅完全滿足技術(shù)規(guī)范的檢定要求，更重要的是提高了試驗(yàn)儀的檢定效率和測(cè)量準(zhǔn)確度，降低了人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。