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电气强度测试仪影响准确度的因数

发布时间:2022-08-16      点击次数:164

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。

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