耐電壓測試儀保持時間自適應校準裝置研究

陳志雄,羅期任,李留生

(工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

介電強度是評價電器設備電氣安全性的一個重要指標。評價介電性能好壞的關鍵參數是：施加在電器設備上的試驗電壓的高低、泄漏電流的大小和試驗電壓保持(持續)時間的長短。耐電壓測試儀是介電強度試驗的專用儀器。進行介電強度測試時，測試儀的輸出電壓應從零開始以一定速率平穩上升至規定值，然后保持一段指定的時間[1-4]。

電壓施加時間的長短是介電擊穿的關鍵因素。介電強度試驗的持續時間通常是60 s。耐電壓測試儀性能指標的準確與否，對于電器設備安全的重要性是不言而喻的[5-7]。輸出電壓保持時間是耐電壓測試儀檢定和校準工作中的主要項目之一。不同測試儀輸出電壓上升和下降所用的時間并不相同，各種測試儀輸出電壓的上升方式也不一樣，有的為線性上升，有的為階梯性上升[8]。剔除電壓上升和下降階段的時間，是保持時間檢定和校準工作中的難點[9]。

JJG 795-2016《耐電壓測試儀檢定規程》規定：必檢的保持時間點為60 s。但在日常校準工作中，為應對流水線上提高測試效率的需求，客戶時常提出對更短的保持時間(比如1 s)進行校準。黨力明等[10]基于D觸發器設計的常規計時裝置不適用于耐電壓測試儀保持時間的校準。羅力生[11]采用隔離光耦觸發計時器的保持時間測量裝置，只能校準老式的自耦調壓式耐電壓測試儀。如何對保持時間進行高準確度校準，一直是困擾業界的難題。本研究采用基于高速采樣的自適應電壓波形分析法，實現了耐電壓測試儀保持時間的高準確度、高分辨力校準。

1 研究現狀分析

1.1 保持時間校準的典型波形

根據輸出電壓的產生和調節方式，耐電壓測試儀可分為自耦調壓式和程控穩壓式。自耦調壓式耐電壓測試儀通過電磁繼電器控制輸出電壓的啟動和停止，起始和結束瞬間的電壓波形邊沿非常陡峭。程控穩壓式耐電壓測試儀通過功率放大器驅動升壓變壓器產生高電壓，輸出電壓的起始和結束階段有一個“上升”和“下降”的過程。將程控穩壓式測試儀的保持時間設置為1 s，通過示波器捕捉的交流輸出電壓典型波形如圖1所示。目前，程控穩壓式耐電壓測試儀得到了廣泛應用。

圖1 交流輸出電壓典型波形圖Fig.1 Typical waveform of AC output voltage

根據JJG 795-2016第3.3節的規定，耐電壓測試儀的“保持時間”指：“輸出電壓在穩定階段所經歷的時間，不包括電壓上升和下降的時間”。圖1中：A對應的時刻是保持時間的計時起始點；B對應保持時間的計時截止點。

1.2 傳統校準方法存在的問題

目前，現有校準裝置通常采用設置“計時起始電壓”的方法來測量保持時間。該方法預先在校準裝置上設置一個計時起始電壓(比如0.5 kV)，被校測試儀的輸出電壓第一次上升到該起始電壓時開始計時，直到下降到低于起始電壓時停止計時。由于所使用標準器的不同，從什么電壓開始計時和在什么電壓結束計時也不完全相同；有些標準器的開始計時電壓和結束計時電壓是可調的，有些是不可調的，所以對同一臺耐電壓測試儀測量得到的保持時間數值也不相同。這個問題在上升和下降時間較長的耐電壓測試儀的檢定和校準中尤其明顯[8]。

由于程控穩壓式測試儀的輸出電壓存在上升和下降的過程，通過設置計時起始電壓無法準確校準保持時間。設置計時起始電壓校準法的誤差如圖2所示。

圖2 設置計時起始電壓校準法的誤差圖Fig.2 Error diagram of setting the timing start voltage calibration method

圖2中：耐電壓測試儀的輸出電壓為U1，計時起始電壓為U2。當輸入電壓高于U2時開始計時，低于U2時停止計時，則得到的保持時間為T2。但實際上，被校測試儀輸出電壓在穩定階段所持續的時間為T1。采用設置計時起始電壓的校準方法，電壓上升和下降階段不可避免地會引入測量誤差。該方法只能用于自耦調壓式耐電壓測試儀。

2 總體方案設計和工作原理

2.1 設計思路

根據輸出電壓的類型，耐電壓測試儀可分為交流(工頻)耐電壓測試儀和直流耐電壓測試儀。本研究先以交流耐電壓測試儀為例進行分析。為了識別試驗電壓上升和下降的過程，本研究基于“波形分析法”研制保持時間的自適應校準裝置，其設計思路如下。

①被校耐電壓測試儀啟動輸出后，使用A/D轉換器對測試儀的輸出電壓波形進行高速采樣。

②以半個信號周期為單位，構建電壓峰值的包絡曲線，直至被校測試儀停止電壓輸出。

③通過微控制器對包絡曲線的波形特征進行自動化的整體分析，識別出電壓的上升和下降階段，進而實現保持時間的高準確度校準。

該設計方案直接對耐電壓測試儀輸出電壓的波形包絡曲線進行整體分析，因而被校測試儀無需輸出特定量值的電壓。即便被校測試儀的實際輸出電壓存在誤差(即：輸出電壓的實際值與設定值存在偏差)，也不會改變包絡曲線的整體形態。因此，被校測試儀的輸出電壓量值不會影響保持時間的測量準確度。該校準裝置對試驗電壓的量值具有自適應的特性。

2.2 硬件組成和系統概述

自適應校準裝置的硬件框圖如圖3所示。

圖3 自適應校準裝置的硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of the adaptive calibrator

被校耐電壓測試儀的輸出電壓UHV通過“高壓分壓器”進行衰減后得到UIN。一路UIN提供給“高速波形采集模塊”進行電壓波形采樣。該模塊由“低通濾波器”、“全波整流器”和“高速A/D轉換器”等單元組成。另外一路UIN經過“頻率測量模塊”的整形，產生和UHV電壓周期對應的方波信號，再通過微控制器內部的計數器單元對方波信號進行計數，實現電壓頻率的測量。微控制器根據輸入電壓信號的頻率，對“高速A/D轉換器”的采樣速率進行調整；并將構建包絡曲線所需的波形數據依次緩存到“波形存儲器”中，用于進行保持時間的整體分析。

2.3 保持時間的分析算法

正弦波經全波整流后的高速采樣示意圖如圖4所示。

圖4 正弦波經全波整流后的高速采樣示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed sampling of sine wave by full-wave rectification

圖4中：虛線和實線箭頭均代表采樣點，實線箭頭代表半周期的電壓峰值UMAX。本研究將UMAX作為代表半個信號周期的特征值。

從耐電壓測試儀啟動電壓輸出開始，到停止輸出為止，通過一系列UMAX構建UHV的電壓波形包絡曲線。電壓信號的半周期峰值包絡曲線如圖5所示。

圖5 電壓信號的半周期峰值包絡曲線圖Fig.5 Half-period peak envelope curve of voltage signal

為了識別耐電壓測試儀輸出電壓的上升和下降階段，待測試儀停止電壓輸出后，微控制器從圖5中的起始時刻t0開始，依次讀取波形存儲器中的包絡曲線波形數據。通過數值比較尋找輸入電壓UHV在穩定階段的起始點t1，以及截止點t2。根據波形存儲器中t1和t2時刻所對應數據的間隔數ΔN，以及UHV的頻率f，按式(1)計算出保持時間TDWELL。

(1)

對于交流電壓，本研究的波形分析法以半個信號周期為單位。對于50 Hz和60 Hz交流電壓，保持時間的測量分辨力分別為10 ms和8.33 ms。對于直流耐電壓測試儀，微控制器固定采用10 ms的分析間隔時間，測量分辨力也可以達到10 ms。因此，本研究校準裝置的保持時間測量分辨力不低于10 ms，滿足JJG 795-2016的要求。

3 硬件電路設計與關鍵技術分析

3.1 高速波形采集模塊

高壓分壓器由兩個電阻器(1 GΩ和510 kΩ)串聯構成，分壓比為1 962∶1。低通濾波器的增益為3.73、截止頻率為125 Hz，用來濾除造成信號短期波動的諧波電壓成分，以消除對波形峰值捕捉的影響。高速A/D轉換器采用美國TI公司的TLC3544。TLC3544是14 bit、最高采樣速率為200 kS/s的A/D轉換器，內部帶有4.0 V參考電壓基準。

經過分析，對于50 Hz高電壓，只要UHV的有效值不超過1.488 kV，輸入到校準裝置中高速A/D轉換器的信號都小于規定的4.0 V限值，不會造成TLC3544轉換結果的溢出。

3.2 頻率測量模塊

頻率測量模塊對UIN進行半波整流，再進行高增益放大，從而將輸入交流信號整形為與信號周期對應的方波。頻率測量模塊的電路原理如圖6所示。通過MSP430F2419微控制器對頻率測量模塊輸出的方波脈寬進行測量，進而得到UHV的頻率f，并對“高速A/D轉換器”的采樣速率進行相應調整。對于直流高壓輸入，頻率測量模塊將輸出恒定的“低電平”或者“高電平”，微控制器可據此判斷UHV的類型。

圖6 頻率測量模塊的電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of frequency measuring module

3.3 采樣速率的分析

A/D轉換器的采樣速率是決定保持時間測量準確度的關鍵因素。必須使用足夠高的采樣速率，才能保證峰值捕捉的準確性。本研究預定電壓峰值捕捉的相對誤差應小于±0.5%。對于幅度值為1的正弦波形，在波峰處偏離相位角為Δθ時，波形幅度值應滿足的關系式為：

(2)

式(2)經化簡后求解，可得Δθ的取值范圍為：

Δθ<0.1

(3)

對于50 Hz正弦波信號，需要確保A/D轉換器在Δθ相位區間內至少有一個采樣點，則采樣速率應滿足的條件為：

(4)

將式(3)代入式(4)，可得：

f50 Hz>3.15 kS/s

同理，60 Hz正弦波信號的采樣速率應為：

f60 Hz>3.77 kS/s

對于50 Hz和60 Hz電壓信號，本研究校準裝置的微控制器分別為TLC3544提供4 kHz和4.8 kHz的采樣啟動脈沖；在每半個信號周期有40個采樣點，從而確保峰值捕捉的準確性。對于直流電壓信號，TLC3544的采樣啟動脈沖也設為4 kHz，同樣保證每10 ms時間間隔內有40個采樣點。

4 測試驗證

應用本研究的保持時間自適應校準裝置，對一臺程控穩壓式耐電壓測試儀SE7430進行校準。SE7430的輸出電壓設置為1 kV，上升和下降時間均設置為1 s，保持時間分別設置為1 s、10 s、60 s。同時,使用P5100A高壓探頭和TBS2102示波器，捕捉被校測試儀的完整輸出電壓波形，再通過示波器的游標測量功能得出穩態階段所經歷的時間作為標準值。保持時間的測試驗證數據如表1所示。

表1 保持時間的測試驗證數據Tab.1 Test data of dwell time

將SE7430的輸出電壓設置為0.5 kV和1.45 kV，重復進行保持時間校準，結果仍與表1一致。測試驗證表明，基于波形分析的保持時間校準法具有很高的準確度，且校準結果與耐電壓測試儀的輸出電壓量值無關，具有良好的自適應特性。

5 結論

本研究基于電壓波形分析的保持時間校準法，通過高速采樣構建輸入電壓的峰值包絡曲線，進而根據曲線特征進行自動化的整體分析，實現了保持時間的高準確度校準。所研制的校準裝置對輸入電壓的量值具有自適應的特性，克服了傳統設置計時起始電壓測量法的不足。測試驗證的數據表明，本研究的保持時間校準法具有很高的準確度和分辨力，完全滿足校準工作的實際需要。