电气强度测试仪影响准确度的因数

影响电压动态测量准确度的因素：

升压速度的影响 ：

在试验过程中试品的击穿是电与热共同作用的结果。同一材料进行快速升压试验时，电热作用时间短；进行非常慢速的升压试验时，电热作用时间加长，发热增大，击穿电压值相对偏小。升压速 度一定程度上会影响材料的击穿电压值，因此在绝缘材料的连续升压试验中，一般对速度有明确的规 定[2]。传统的直流电机控制调速存在调节精度低、可靠性差、动态响应速度慢等难以克服的缺陷。本系统采用步进电机带动调压器转动实现调压，设计 时在调压器的碳刷上固定一个直径为 250 mm的齿 轮转盘，在步进电机的轴上固定一个直径为 25 mm 的齿轮，两齿轮减速比为 10∶1，将调压器惯性前行 的转动角度降低了 10 倍。为了能够实现步进精密 调压和降噪，在步进电机的前级施加一个步进驱动 器，它能够将1.8°的步距角进一步细分，考虑到本系统功率小，可选择性价比高的 256 细分步进电机驱 动器。将原有的一个步距角细分成 256 等份，又进一步提升了步进电机在起速和减速停止阶段的速度，减少了步进电机的惯性和噪声[3]，从而能够实现恒速平稳调压。

调压器分辨率的影响 ：

接触式调压器是一种自耦式变压器，其原副边 比接近 1∶1，常用的单相 3 kVA调压器匝数约为 250 匝，接近 1V/匝，本系统中只用到调压器的 0～200 V，高压变压器的匝数比为 200∶50 000，调压器的 1 匝对应高压端的 250 V，相差 1 匝测试电压相差 250 V，调压器对测试电压分辨率的影响为0.25 kV。 调压器确定时，不考虑采样周期等其他因素的影响，击穿电压测试仪的分辨率也确定，击穿电压值 的误差从理论上分析只和试验电压值有关系，试验 电压值越低，分辨率引入的误差就越大，满量程 50 kV 时的误差为 0.5%，10% 量程时的误差为 5%。为提高击穿电压值在低量程时的准确度，在调压器和变压器之间串接一个输入 200 V、输出多量程的变 压器，如表 1 所示。改进后的设备在 10% 量程时选择多抽头变压器的 25 V 档，对应调压器输出电压 200 V，对应高压输出 5 kV。按照上述调压器分辨 率的分析，分辨率改善为原有的 1/8，误差降低至 0.625%，显 著 提 高 了 击 穿 电 压 在 低 量 程 时 的 分 辨率。

过流断闸时间：

在绝缘材料击穿试验过程中，恒速升压将电压 施加到试品上，试品在电、热的共同作用下发生绝 缘失效，破坏瞬间阻值急速下降，形成导电通道，高压瞬间对地短路。在此过程中，流过试品的电流先从零缓慢增加，在破坏前期一般会产生强烈的放 电，电流值有所增加，破坏瞬间，电流陡增。系统检 测到过电流信号立刻发出停止指令，断开主回路电源。从识别过流信号到发出停止指令，再到断闸动作完成，需要一定的时间，此过程时间越短越好。

本系统中电流信号通过采样电阻和信号调理 电路转换成电压信号，电压信号输入至LM311比较 器的比较端，同 LM311 比较器的基准端进行比较， 当测试信号超过基准值时，LM311的输出端会产生 一个电平跃变，驱动中间继电器动作，切断主回路 电源。LM311是高速电压比较器，其输入和输出的 动作时间约为 100 ns。继电器的动作时间稍缓，为 增加动作的快速性，最终选择高性能的欧姆龙继电 器和施耐德接触器，采用示波器监测其动作时间约 为40 ms，满足系统性能要求。

采样周期的影响分析：

50 kV 工频电压通过分压、放大等环节转换成 5 V 直流电压信号，再通过 VF 电路转换成 100 kHz 脉冲信号。本系统选择西门子 s7-200 系列 214- 2AD23-0XB8 型 PLC，脉冲信号的采集由 PLC 内置 的高速计数器结合中断程序来完成。测量时，只需 定义中断间隔时间，统计每次中断间隔时间段内的 脉冲个数 N，通过比例换算就可直接显示为对应的 电压值[4]。

由 PLC 的高速计数器和优先级高的中断程序 组成的A/D变换器，转换周期从1 ms到250 ms可自 由设置。采样周期的大小影响测试的分辨率，当采 样周期小时，跟踪速度快，但分辨率低、误差大；当 采样周期大时，测量分辨率高，但系统跟踪速度慢， 电压测量滞后，易造成动态测量误差。

本系统中试验电压满量程 u（0 50 kV）对应的频 率信号为100 kHz，若选择采样周期T是10 ms，则采 样点数N是100，一个采样周期内采集的脉冲数n是 1 000，量化误差e(n)为最小量化单位1 Hz的二分之 一，即0.05%。升压过程中电压值是动态变化的，相 邻两采样点之间的电压差值和速度有很大关系，理 想状态下电压差值是升压速度的 1/N。表 2 是在不 同的采样扫描周期和不同的升压速度下得出的对 电压测量准确度的误差数据。

从表2可以看出，扫描周期越短，采样周期引入的量化误差就越大，采样误差g(n)越小；扫描周期越长，量化误差就越小，采样误差越大。在50 kV击穿电压测试仪的实际应用中，测试的试品是各种绝缘材料，升压速度通常从 0.5～2.0 kV/s 选取。结合以 上数据分析，选择的最佳采样周期是60 ms。