耐电压测试仪保持时间自适应校准装置研究

陈志雄,罗期任,李留生

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

0 引言

介电强度是评价电器设备电气安全性的一个重要指标。评价介电性能好坏的关键参数是：施加在电器设备上的试验电压的高低、泄漏电流的大小和试验电压保持(持续)时间的长短。耐电压测试仪是介电强度试验的专用仪器。进行介电强度测试时，测试仪的输出电压应从零开始以一定速率平稳上升至规定值，然后保持一段指定的时间[1-4]。

电压施加时间的长短是介电击穿的关键因素。介电强度试验的持续时间通常是60 s。耐电压测试仪性能指标的准确与否，对于电器设备安全的重要性是不言而喻的[5-7]。输出电压保持时间是耐电压测试仪检定和校准工作中的主要项目之一。不同测试仪输出电压上升和下降所用的时间并不相同，各种测试仪输出电压的上升方式也不一样，有的为线性上升，有的为阶梯性上升[8]。剔除电压上升和下降阶段的时间，是保持时间检定和校准工作中的难点[9]。

JJG 795-2016《耐电压测试仪检定规程》规定：必检的保持时间点为60 s。但在日常校准工作中，为应对流水线上提高测试效率的需求，客户时常提出对更短的保持时间(比如1 s)进行校准。党力明等[10]基于D触发器设计的常规计时装置不适用于耐电压测试仪保持时间的校准。罗力生[11]采用隔离光耦触发计时器的保持时间测量装置，只能校准老式的自耦调压式耐电压测试仪。如何对保持时间进行高准确度校准，一直是困扰业界的难题。本研究采用基于高速采样的自适应电压波形分析法，实现了耐电压测试仪保持时间的高准确度、高分辨力校准。

1 研究现状分析

1.1 保持时间校准的典型波形

根据输出电压的产生和调节方式，耐电压测试仪可分为自耦调压式和程控稳压式。自耦调压式耐电压测试仪通过电磁继电器控制输出电压的启动和停止，起始和结束瞬间的电压波形边沿非常陡峭。程控稳压式耐电压测试仪通过功率放大器驱动升压变压器产生高电压，输出电压的起始和结束阶段有一个“上升”和“下降”的过程。将程控稳压式测试仪的保持时间设置为1 s，通过示波器捕捉的交流输出电压典型波形如图1所示。目前，程控稳压式耐电压测试仪得到了广泛应用。

图1 交流输出电压典型波形图Fig.1 Typical waveform of AC output voltage

根据JJG 795-2016第3.3节的规定，耐电压测试仪的“保持时间”指：“输出电压在稳定阶段所经历的时间，不包括电压上升和下降的时间”。图1中：A对应的时刻是保持时间的计时起始点；B对应保持时间的计时截止点。

1.2 传统校准方法存在的问题

目前，现有校准装置通常采用设置“计时起始电压”的方法来测量保持时间。该方法预先在校准装置上设置一个计时起始电压(比如0.5 kV)，被校测试仪的输出电压第一次上升到该起始电压时开始计时，直到下降到低于起始电压时停止计时。由于所使用标准器的不同，从什么电压开始计时和在什么电压结束计时也不完全相同；有些标准器的开始计时电压和结束计时电压是可调的，有些是不可调的，所以对同一台耐电压测试仪测量得到的保持时间数值也不相同。这个问题在上升和下降时间较长的耐电压测试仪的检定和校准中尤其明显[8]。

由于程控稳压式测试仪的输出电压存在上升和下降的过程，通过设置计时起始电压无法准确校准保持时间。设置计时起始电压校准法的误差如图2所示。

图2 设置计时起始电压校准法的误差图Fig.2 Error diagram of setting the timing start voltage calibration method

图2中：耐电压测试仪的输出电压为U1，计时起始电压为U2。当输入电压高于U2时开始计时，低于U2时停止计时，则得到的保持时间为T2。但实际上，被校测试仪输出电压在稳定阶段所持续的时间为T1。采用设置计时起始电压的校准方法，电压上升和下降阶段不可避免地会引入测量误差。该方法只能用于自耦调压式耐电压测试仪。

2 总体方案设计和工作原理

2.1 设计思路

根据输出电压的类型，耐电压测试仪可分为交流(工频)耐电压测试仪和直流耐电压测试仪。本研究先以交流耐电压测试仪为例进行分析。为了识别试验电压上升和下降的过程，本研究基于“波形分析法”研制保持时间的自适应校准装置，其设计思路如下。

①被校耐电压测试仪启动输出后，使用A/D转换器对测试仪的输出电压波形进行高速采样。

②以半个信号周期为单位，构建电压峰值的包络曲线，直至被校测试仪停止电压输出。

③通过微控制器对包络曲线的波形特征进行自动化的整体分析，识别出电压的上升和下降阶段，进而实现保持时间的高准确度校准。

该设计方案直接对耐电压测试仪输出电压的波形包络曲线进行整体分析，因而被校测试仪无需输出特定量值的电压。即便被校测试仪的实际输出电压存在误差(即：输出电压的实际值与设定值存在偏差)，也不会改变包络曲线的整体形态。因此，被校测试仪的输出电压量值不会影响保持时间的测量准确度。该校准装置对试验电压的量值具有自适应的特性。

2.2 硬件组成和系统概述

自适应校准装置的硬件框图如图3所示。

图3 自适应校准装置的硬件框图Fig.3 Hardware block diagram of the adaptive calibrator

被校耐电压测试仪的输出电压UHV通过“高压分压器”进行衰减后得到UIN。一路UIN提供给“高速波形采集模块”进行电压波形采样。该模块由“低通滤波器”、“全波整流器”和“高速A/D转换器”等单元组成。另外一路UIN经过“频率测量模块”的整形，产生和UHV电压周期对应的方波信号，再通过微控制器内部的计数器单元对方波信号进行计数，实现电压频率的测量。微控制器根据输入电压信号的频率，对“高速A/D转换器”的采样速率进行调整；并将构建包络曲线所需的波形数据依次缓存到“波形存储器”中，用于进行保持时间的整体分析。

2.3 保持时间的分析算法

正弦波经全波整流后的高速采样示意图如图4所示。

图4 正弦波经全波整流后的高速采样示意图Fig.4 Schematic diagram of high-speed sampling of sine wave by full-wave rectification

图4中：虚线和实线箭头均代表采样点，实线箭头代表半周期的电压峰值UMAX。本研究将UMAX作为代表半个信号周期的特征值。

从耐电压测试仪启动电压输出开始，到停止输出为止，通过一系列UMAX构建UHV的电压波形包络曲线。电压信号的半周期峰值包络曲线如图5所示。

图5 电压信号的半周期峰值包络曲线图Fig.5 Half-period peak envelope curve of voltage signal

为了识别耐电压测试仪输出电压的上升和下降阶段，待测试仪停止电压输出后，微控制器从图5中的起始时刻t0开始，依次读取波形存储器中的包络曲线波形数据。通过数值比较寻找输入电压UHV在稳定阶段的起始点t1，以及截止点t2。根据波形存储器中t1和t2时刻所对应数据的间隔数ΔN，以及UHV的频率f，按式(1)计算出保持时间TDWELL。

(1)

对于交流电压，本研究的波形分析法以半个信号周期为单位。对于50 Hz和60 Hz交流电压，保持时间的测量分辨力分别为10 ms和8.33 ms。对于直流耐电压测试仪，微控制器固定采用10 ms的分析间隔时间，测量分辨力也可以达到10 ms。因此，本研究校准装置的保持时间测量分辨力不低于10 ms，满足JJG 795-2016的要求。

3 硬件电路设计与关键技术分析

3.1 高速波形采集模块

高压分压器由两个电阻器(1 GΩ和510 kΩ)串联构成，分压比为1 962∶1。低通滤波器的增益为3.73、截止频率为125 Hz，用来滤除造成信号短期波动的谐波电压成分，以消除对波形峰值捕捉的影响。高速A/D转换器采用美国TI公司的TLC3544。TLC3544是14 bit、最高采样速率为200 kS/s的A/D转换器，内部带有4.0 V参考电压基准。

经过分析，对于50 Hz高电压，只要UHV的有效值不超过1.488 kV，输入到校准装置中高速A/D转换器的信号都小于规定的4.0 V限值，不会造成TLC3544转换结果的溢出。

3.2 频率测量模块

频率测量模块对UIN进行半波整流，再进行高增益放大，从而将输入交流信号整形为与信号周期对应的方波。频率测量模块的电路原理如图6所示。通过MSP430F2419微控制器对频率测量模块输出的方波脉宽进行测量，进而得到UHV的频率f，并对“高速A/D转换器”的采样速率进行相应调整。对于直流高压输入，频率测量模块将输出恒定的“低电平”或者“高电平”，微控制器可据此判断UHV的类型。

图6 频率测量模块的电路原理图Fig.6 Schematic diagram of frequency measuring module

3.3 采样速率的分析

A/D转换器的采样速率是决定保持时间测量准确度的关键因素。必须使用足够高的采样速率，才能保证峰值捕捉的准确性。本研究预定电压峰值捕捉的相对误差应小于±0.5%。对于幅度值为1的正弦波形，在波峰处偏离相位角为Δθ时，波形幅度值应满足的关系式为：

(2)

式(2)经化简后求解，可得Δθ的取值范围为：

Δθ<0.1

(3)

对于50 Hz正弦波信号，需要确保A/D转换器在Δθ相位区间内至少有一个采样点，则采样速率应满足的条件为：

(4)

将式(3)代入式(4)，可得：

f50 Hz>3.15 kS/s

同理，60 Hz正弦波信号的采样速率应为：

f60 Hz>3.77 kS/s

对于50 Hz和60 Hz电压信号，本研究校准装置的微控制器分别为TLC3544提供4 kHz和4.8 kHz的采样启动脉冲；在每半个信号周期有40个采样点，从而确保峰值捕捉的准确性。对于直流电压信号，TLC3544的采样启动脉冲也设为4 kHz，同样保证每10 ms时间间隔内有40个采样点。

4 测试验证

应用本研究的保持时间自适应校准装置，对一台程控稳压式耐电压测试仪SE7430进行校准。SE7430的输出电压设置为1 kV，上升和下降时间均设置为1 s，保持时间分别设置为1 s、10 s、60 s。同时,使用P5100A高压探头和TBS2102示波器，捕捉被校测试仪的完整输出电压波形，再通过示波器的游标测量功能得出稳态阶段所经历的时间作为标准值。保持时间的测试验证数据如表1所示。

表1 保持时间的测试验证数据Tab.1 Test data of dwell time

将SE7430的输出电压设置为0.5 kV和1.45 kV，重复进行保持时间校准，结果仍与表1一致。测试验证表明，基于波形分析的保持时间校准法具有很高的准确度，且校准结果与耐电压测试仪的输出电压量值无关，具有良好的自适应特性。

5 结论

本研究基于电压波形分析的保持时间校准法，通过高速采样构建输入电压的峰值包络曲线，进而根据曲线特征进行自动化的整体分析，实现了保持时间的高准确度校准。所研制的校准装置对输入电压的量值具有自适应的特性，克服了传统设置计时起始电压测量法的不足。测试验证的数据表明，本研究的保持时间校准法具有很高的准确度和分辨力，完全满足校准工作的实际需要。