繞組線擊穿電壓試驗儀檢定裝置

王福泉/廣東省肇慶市質量計量監督檢測所

0 引言

繞組線擊穿電壓試驗儀主要用于檢測漆包繞組線的各項性能指標，從而判斷漆包繞組線的質量是否符合相關標準和質量技術性能要求。國內計量技術機構通常對其試驗電壓、擊穿動作電流、升壓速度等參數進行檢定，其中升壓速度參數對于繞組線擊穿電壓試驗儀尤為重要，因為檢定時繞組線是否被擊穿，不僅與承受的電壓值有關，還和升壓速度密切相關[1]。目前，計量技術機構檢定升壓速度參數時，基本采用高壓表測量電壓，秒表測量時間，然后將兩者相除，最后得出升壓速度[2-4]。這種檢定方式，因需要通過檢定人員啟停秒表來測量時間，得到的升壓速度數據的不確定度相對較大，從而使檢定出的升壓速度數據可信程度降低。此外，檢定多個參數，需要攜帶操作多種設備，給現場實際檢定帶來不便，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儀（簡稱試驗儀）的裝置，對試驗儀量值溯源、繞組線產品質量提升很有意義。

1 檢定裝置的設計原理

檢定裝置的主要功能包括試驗電壓、升壓速度、擊穿動作電流、電壓持續時間[5]。總體設計原理如圖1所示[6-8]。高壓分壓通過電壓處理單元后送至微控制單元（MCU），這些信號經過MCU處理，通過相關算法，計算出電壓有效值，至顯示屏顯示。電流通過電流處理單元后送至MCU，這些信號經過MCU處理，通過相關算法，計算出電流有效值并至顯示屏顯示，同時在內置存儲器中保存并至顯示屏顯示這個過程中最大值（擊穿電流值），從而達到擊穿電流的保存功能。通過電壓測量過程中采集到的電壓信號控制MCU計時器進行工作，從而計算出升壓時間、電壓持續時間。

圖1 總體設計原理

2 檢定裝置技術指標

根據繞組線擊穿電壓試驗儀計量性能要求，標準器需要滿足技術指標包括[5]交流電壓測量范圍：0～15 kV，準確度等級：0.5級；交流電流測量范圍：0～20 mA，準確度等級：0.5級；電壓持續時間測量范圍：1.00 ～ 999.99 s，最大允許誤差：±（0.5%±2個字）；升壓速度測量范圍：20～500 V/s，最大允許誤差：±2%。

3 主要功能模塊

3.1 試驗電壓

試驗電壓為高壓值，其原理如圖2所示。繞組線擊穿電壓試驗儀輸出高壓經分壓器，變為較易測量的電壓信號，經信號處理及采樣保持后送至模數轉換器進行模數轉換，MCU讀取數字量進行計算和處理，最后通過顯示電路顯示測量結果。具體過程為高壓分壓模塊采用高穩定低電壓系數定制電阻（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）及電子開關組成。通過MCU（STM32F103C8）控制電子開關的通斷來控制分壓比。分壓后的低電壓經過由放大器、精密電阻和電子開關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MCU的邏輯信號切換不同的量程。模數轉換采集模塊由芯片（AD7402）及周邊電路組成。通過MCU控制AD7402的數據采集，并控制串口顯示屏，顯示測量數據。

圖2 試驗電壓原理

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入MCU前與試驗電壓硬件是一樣的，不同的是通過模數轉換采集模塊送入MCU的數據經過處理后和設定的值進行比較，如這個數據值達到設定值，MCU啟動內部計時器進行計時，并且同時將這個數據保存到內置存儲器。當MCU判斷來自模數轉換采集模塊3個采樣周期內的數據都在設定的閾值區間內，MCU計時器停止計時并保存此時的電壓數據至內置存儲器。MCU通過提取內置存儲器及計時器數據來計算升壓時間。

3.2.2 升壓速度軟件

升壓速度程序控制流程如圖3所示。定時器以穩定電壓時間閾值的三分之一時間間隔判斷電壓是否大于設置的升壓啟動電壓值。定時器以穩定電壓時間閾值的三分之一時間間隔判斷連續的3個電壓值差是否小于升壓穩定電壓值。當被檢試驗儀發生故障，電壓無法穩定時，超過穩定電壓時間閾值時結束此次控制流程。檢定裝置的設置界面，需要設置3個重要參數，1）升壓啟動電壓值：被檢試驗儀升壓時觸發計時器的電壓閾值；2）升壓穩定電壓范圍：被檢試驗儀電壓升到一定值時的允許波動范圍；3）穩定電壓時間閾值：采用穩定電壓的周期時間。針對通過間隔時間多次采樣難以判定升壓速度穩定點時，添加了一個預設穩定電壓值來輔助判斷。通過這3個功能設置，可以實現升壓速度的準確計量。

圖3 升壓速度軟件原理

3.3 擊穿動作電流

電流輸入必須經過一個采樣電阻網絡，如圖4所示。電流通過輸入端子進入電流采樣單元后，經過采樣電阻R1、R2產生一個電壓。當輸入的電流為0.02～4 mA 時，電子開關K1、K2為默認狀態，R1兩端的電壓通過電子開關送入放大電路后，由模數轉換采集模塊送入MCU處理；當輸入的電流為4～400 mA 時，電子開關K1、K2動作，R2兩端的電壓通過電子開關送入放大電路后，由模數轉換采集模塊送入MCU進行處理。圖4中D1、D2、D3、D4由多個二級管串聯而成，通過二級管的節電壓來確保輸入電流不能過大。當輸入電流過大，會在采樣電阻R1、R2上形成一個大于二極管節電壓的電壓，并且這個電壓會導致二極管組正向導通，達到保護采樣電阻R1、R2及后級放大電路的目的。采樣電阻由多個精密電阻組成，主要考慮電阻的功率及穩定性。通過模數轉換采集模塊的電壓反饋至MCU，從而控制相應的電子開關，切換放大器的放大倍數，達到切換量程的目的。經過上述兩個階段后的電壓分別送入模數轉換采集模塊，最后經信號處理器處理后顯示對應的電流。

圖4 擊穿動作電流采樣電阻網絡

4 結語

作為用于繞組線擊穿電壓試驗儀計量檢定的專用設備，裝置不僅完全滿足技術規范的檢定要求，更重要的是提高了試驗儀的檢定效率和測量準確度，降低了人工成本和勞動強度，具有重要的實用價值和廣闊的市場前景。