耐電壓測試儀保持時(shí)間自適應(yīng)校準(zhǔn)裝置研究

陳志雄,羅期任,李留生

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引言

介電強(qiáng)度是評(píng)價(jià)電器設(shè)備電氣安全性的一個(gè)重要指標(biāo)。評(píng)價(jià)介電性能好壞的關(guān)鍵參數(shù)是：施加在電器設(shè)備上的試驗(yàn)電壓的高低、泄漏電流的大小和試驗(yàn)電壓保持(持續(xù))時(shí)間的長短。耐電壓測試儀是介電強(qiáng)度試驗(yàn)的專用儀器。進(jìn)行介電強(qiáng)度測試時(shí)，測試儀的輸出電壓應(yīng)從零開始以一定速率平穩(wěn)上升至規(guī)定值，然后保持一段指定的時(shí)間[1-4]。

電壓施加時(shí)間的長短是介電擊穿的關(guān)鍵因素。介電強(qiáng)度試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間通常是60 s。耐電壓測試儀性能指標(biāo)的準(zhǔn)確與否，對(duì)于電器設(shè)備安全的重要性是不言而喻的[5-7]。輸出電壓保持時(shí)間是耐電壓測試儀檢定和校準(zhǔn)工作中的主要項(xiàng)目之一。不同測試儀輸出電壓上升和下降所用的時(shí)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(shí)間，是保持時(shí)間檢定和校準(zhǔn)工作中的難點(diǎn)[9]。

JJG 795-2016《耐電壓測試儀檢定規(guī)程》規(guī)定：必檢的保持時(shí)間點(diǎn)為60 s。但在日常校準(zhǔn)工作中，為應(yīng)對(duì)流水線上提高測試效率的需求，客戶時(shí)常提出對(duì)更短的保持時(shí)間(比如1 s)進(jìn)行校準(zhǔn)。黨力明等[10]基于D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的常規(guī)計(jì)時(shí)裝置不適用于耐電壓測試儀保持時(shí)間的校準(zhǔn)。羅力生[11]采用隔離光耦觸發(fā)計(jì)時(shí)器的保持時(shí)間測量裝置，只能校準(zhǔn)老式的自耦調(diào)壓式耐電壓測試儀。如何對(duì)保持時(shí)間進(jìn)行高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)，一直是困擾業(yè)界的難題。本研究采用基于高速采樣的自適應(yīng)電壓波形分析法，實(shí)現(xiàn)了耐電壓測試儀保持時(shí)間的高準(zhǔn)確度、高分辨力校準(zhǔn)。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 保持時(shí)間校準(zhǔn)的典型波形

根據(jù)輸出電壓的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)方式，耐電壓測試儀可分為自耦調(diào)壓式和程控穩(wěn)壓式。自耦調(diào)壓式耐電壓測試儀通過電磁繼電器控制輸出電壓的啟動(dòng)和停止，起始和結(jié)束瞬間的電壓波形邊沿非常陡峭。程控穩(wěn)壓式耐電壓測試儀通過功率放大器驅(qū)動(dòng)升壓變壓器產(chǎn)生高電壓，輸出電壓的起始和結(jié)束階段有一個(gè)“上升”和“下降”的過程。將程控穩(wěn)壓式測試儀的保持時(shí)間設(shè)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(wěn)壓式耐電壓測試儀得到了廣泛應(yīng)用。

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

根據(jù)JJG 795-2016第3.3節(jié)的規(guī)定，耐電壓測試儀的“保持時(shí)間”指：“輸出電壓在穩(wěn)定階段所經(jīng)歷的時(shí)間，不包括電壓上升和下降的時(shí)間”。圖1中：A對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是保持時(shí)間的計(jì)時(shí)起始點(diǎn)；B對(duì)應(yīng)保持時(shí)間的計(jì)時(shí)截止點(diǎn)。

1.2 傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法存在的問題

目前，現(xiàn)有校準(zhǔn)裝置通常采用設(shè)置“計(jì)時(shí)起始電壓”的方法來測量保持時(shí)間。該方法預(yù)先在校準(zhǔn)裝置上設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)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(shí)開始計(jì)時(shí)，直到下降到低于起始電壓時(shí)停止計(jì)時(shí)。由于所使用標(biāo)準(zhǔn)器的不同，從什么電壓開始計(jì)時(shí)和在什么電壓結(jié)束計(jì)時(shí)也不完全相同；有些標(biāo)準(zhǔn)器的開始計(jì)時(shí)電壓和結(jié)束計(jì)時(shí)電壓是可調(diào)的，有些是不可調(diào)的，所以對(duì)同一臺(tái)耐電壓測試儀測量得到的保持時(shí)間數(shù)值也不相同。這個(gè)問題在上升和下降時(shí)間較長的耐電壓測試儀的檢定和校準(zhǔn)中尤其明顯[8]。

由于程控穩(wěn)壓式測試儀的輸出電壓存在上升和下降的過程，通過設(shè)置計(jì)時(shí)起始電壓無法準(zhǔn)確校準(zhǔn)保持時(shí)間。設(shè)置計(jì)時(shí)起始電壓校準(zhǔn)法的誤差如圖2所示。

圖2 設(shè)置計(jì)時(shí)起始電壓校準(zhǔn)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(jì)時(shí)起始電壓為U2。當(dāng)輸入電壓高于U2時(shí)開始計(jì)時(shí)，低于U2時(shí)停止計(jì)時(shí)，則得到的保持時(shí)間為T2。但實(shí)際上，被校測試儀輸出電壓在穩(wěn)定階段所持續(xù)的時(shí)間為T1。采用設(shè)置計(jì)時(shí)起始電壓的校準(zhǔn)方法，電壓上升和下降階段不可避免地會(huì)引入測量誤差。該方法只能用于自耦調(diào)壓式耐電壓測試儀。

2 總體方案設(shè)計(jì)和工作原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)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(jìn)行分析。為了識(shí)別試驗(yàn)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(shí)間的自適應(yīng)校準(zhǔn)裝置，其設(shè)計(jì)思路如下。

①被校耐電壓測試儀啟動(dòng)輸出后，使用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)測試儀的輸出電壓波形進(jìn)行高速采樣。

②以半個(gè)信號(hào)周期為單位，構(gòu)建電壓峰值的包絡(luò)曲線，直至被校測試儀停止電壓輸出。

③通過微控制器對(duì)包絡(luò)曲線的波形特征進(jìn)行自動(dòng)化的整體分析，識(shí)別出電壓的上升和下降階段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保持時(shí)間的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)。

該設(shè)計(jì)方案直接對(duì)耐電壓測試儀輸出電壓的波形包絡(luò)曲線進(jìn)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(shí)際輸出電壓存在誤差(即：輸出電壓的實(shí)際值與設(shè)定值存在偏差)，也不會(huì)改變包絡(luò)曲線的整體形態(tài)。因此，被校測試儀的輸出電壓量值不會(huì)影響保持時(shí)間的測量準(zhǔn)確度。該校準(zhǔn)裝置對(duì)試驗(yàn)電壓的量值具有自適應(yīng)的特性。

2.2 硬件組成和系統(tǒng)概述

自適應(yīng)校準(zhǔn)裝置的硬件框圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)校準(zhǔn)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(jìn)行衰減后得到UIN。一路UIN提供給“高速波形采集模塊”進(jìn)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(zhuǎn)換器”等單元組成。另外一路UIN經(jīng)過“頻率測量模塊”的整形，產(chǎn)生和UHV電壓周期對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，再通過微控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器單元對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電壓頻率的測量。微控制器根據(jù)輸入電壓信號(hào)的頻率，對(duì)“高速A/D轉(zhuǎn)換器”的采樣速率進(jìn)行調(diào)整；并將構(gòu)建包絡(luò)曲線所需的波形數(shù)據(jù)依次緩存到“波形存儲(chǔ)器”中，用于進(jìn)行保持時(shí)間的整體分析。

2.3 保持時(shí)間的分析算法

正弦波經(jīng)全波整流后的高速采樣示意圖如圖4所示。

圖4 正弦波經(jīng)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(shí)線箭頭均代表采樣點(diǎn)，實(shí)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(gè)信號(hào)周期的特征值。

從耐電壓測試儀啟動(dòng)電壓輸出開始，到停止輸出為止，通過一系列UMAX構(gòu)建UHV的電壓波形包絡(luò)曲線。電壓信號(hào)的半周期峰值包絡(luò)曲線如圖5所示。

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

為了識(shí)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(shí)刻t0開始，依次讀取波形存儲(chǔ)器中的包絡(luò)曲線波形數(shù)據(jù)。通過數(shù)值比較尋找輸入電壓UHV在穩(wěn)定階段的起始點(diǎn)t1，以及截止點(diǎn)t2。根據(jù)波形存儲(chǔ)器中t1和t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的間隔數(shù)ΔN，以及UHV的頻率f，按式(1)計(jì)算出保持時(shí)間TDWELL。

(1)

對(duì)于交流電壓，本研究的波形分析法以半個(gè)信號(hào)周期為單位。對(duì)于50 Hz和60 Hz交流電壓，保持時(shí)間的測量分辨力分別為10 ms和8.33 ms。對(duì)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(shí)間，測量分辨力也可以達(dá)到10 ms。因此，本研究校準(zhǔn)裝置的保持時(shí)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(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 高速波形采集模塊

高壓分壓器由兩個(gè)電阻器(1 GΩ和510 kΩ)串聯(lián)構(gòu)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(hào)短期波動(dòng)的諧波電壓成分，以消除對(duì)波形峰值捕捉的影響。高速A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶有4.0 V參考電壓基準(zhǔn)。

經(jīng)過分析，對(duì)于50 Hz高電壓，只要UHV的有效值不超過1.488 kV，輸入到校準(zhǔn)裝置中高速A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)都小于規(guī)定的4.0 V限值，不會(huì)造成TLC3544轉(zhuǎn)換結(jié)果的溢出。

3.2 頻率測量模塊

頻率測量模塊對(duì)UIN進(jìn)行半波整流，再進(jìn)行高增益放大，從而將輸入交流信號(hào)整形為與信號(hào)周期對(duì)應(yīng)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(duì)頻率測量模塊輸出的方波脈寬進(jìn)行測量，進(jìn)而得到UHV的頻率f，并對(duì)“高速A/D轉(zhuǎn)換器”的采樣速率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。對(duì)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(jù)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(zhuǎn)換器的采樣速率是決定保持時(shí)間測量準(zhǔn)確度的關(guān)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(zhǔn)確性。本研究預(yù)定電壓峰值捕捉的相對(duì)誤差應(yīng)小于±0.5%。對(duì)于幅度值為1的正弦波形，在波峰處偏離相位角為Δθ時(shí)，波形幅度值應(yīng)滿足的關(guān)系式為：

(2)

式(2)經(jīng)化簡后求解，可得Δθ的取值范圍為：

Δθ<0.1

(3)

對(duì)于50 Hz正弦波信號(hào)，需要確保A/D轉(zhuǎn)換器在Δθ相位區(qū)間內(nèi)至少有一個(gè)采樣點(diǎn)，則采樣速率應(yīng)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(hào)的采樣速率應(yīng)為：

f60 Hz>3.77 kS/s

對(duì)于50 Hz和60 Hz電壓信號(hào)，本研究校準(zhǔn)裝置的微控制器分別為TLC3544提供4 kHz和4.8 kHz的采樣啟動(dòng)脈沖；在每半個(gè)信號(hào)周期有40個(gè)采樣點(diǎn)，從而確保峰值捕捉的準(zhǔn)確性。對(duì)于直流電壓信號(hào)，TLC3544的采樣啟動(dòng)脈沖也設(shè)為4 kHz，同樣保證每10 ms時(shí)間間隔內(nèi)有40個(gè)采樣點(diǎn)。

4 測試驗(yàn)證

應(yīng)用本研究的保持時(shí)間自適應(yīng)校準(zhǔn)裝置，對(duì)一臺(tái)程控穩(wěn)壓式耐電壓測試儀SE7430進(jìn)行校準(zhǔn)。SE7430的輸出電壓設(shè)置為1 kV，上升和下降時(shí)間均設(shè)置為1 s，保持時(shí)間分別設(shè)置為1 s、10 s、60 s。同時(shí),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(biāo)測量功能得出穩(wěn)態(tài)階段所經(jīng)歷的時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn)值。保持時(shí)間的測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 保持時(shí)間的測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of dwell time

將SE7430的輸出電壓設(shè)置為0.5 kV和1.45 kV，重復(fù)進(jìn)行保持時(shí)間校準(zhǔn)，結(jié)果仍與表1一致。測試驗(yàn)證表明，基于波形分析的保持時(shí)間校準(zhǔn)法具有很高的準(zhǔn)確度，且校準(zhǔn)結(jié)果與耐電壓測試儀的輸出電壓量值無關(guān)，具有良好的自適應(yīng)特性。

5 結(jié)論

本研究基于電壓波形分析的保持時(shí)間校準(zhǔn)法，通過高速采樣構(gòu)建輸入電壓的峰值包絡(luò)曲線，進(jìn)而根據(jù)曲線特征進(jìn)行自動(dòng)化的整體分析，實(shí)現(xiàn)了保持時(shí)間的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)。所研制的校準(zhǔn)裝置對(duì)輸入電壓的量值具有自適應(yīng)的特性，克服了傳統(tǒng)設(shè)置計(jì)時(shí)起始電壓測量法的不足。測試驗(yàn)證的數(shù)據(jù)表明，本研究的保持時(shí)間校準(zhǔn)法具有很高的準(zhǔn)確度和分辨力，完全滿足校準(zhǔn)工作的實(shí)際需要。