電機(jī)定子匝間絕緣測量用沖擊分壓器性能試驗(yàn)研究

池 輝

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

電機(jī)定子匝間絕緣測量用沖擊分壓器性能試驗(yàn)研究

池 輝

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

在研究電機(jī)定子電氣性能檢驗(yàn)裝置校準(zhǔn)方法項(xiàng)目過程中，研制了一種采用高壓無感電阻、等電位屏蔽措施、二級分壓結(jié)構(gòu)和分布電容調(diào)節(jié)技術(shù)的沖擊分壓器，它被用于電機(jī)定子匝間絕緣項(xiàng)目的沖擊電壓峰值和波前時間的測量。經(jīng)過試驗(yàn)，該電阻分壓器的分壓比誤差小于0.5%；上升時間小于100ns，滿足測量指標(biāo)要求。

電阻沖擊分壓器；波前時間；標(biāo)準(zhǔn)方波；分壓比；沖擊電壓峰值

1 引言

沖擊分壓器是脈沖電壓測量系統(tǒng)的重要部件，其性能直接決定了脈沖電壓參數(shù)測量的準(zhǔn)確度。在評價過程中，分壓器對沖擊信號的響應(yīng)能力表現(xiàn)為：分壓比是否穩(wěn)定和方波響應(yīng)上升時間的快慢。在校準(zhǔn)電機(jī)定子電氣性能檢驗(yàn)裝置的匝間絕緣項(xiàng)目時，被校設(shè)備的沖擊電壓峰值范圍一般為：（0.1～3）kV，脈沖波形的波前時間一般分為0.2μs、0.5μs和1.2μs等幾種規(guī)格[1]。測量系統(tǒng)主要由數(shù)字存儲示波器和高壓衰減器構(gòu)成，依據(jù)被校設(shè)備計量特性和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，示波器的電壓幅值測量精度應(yīng)優(yōu)于1%，高壓衰減器（以下稱為“沖擊分壓器”）的分壓比精度應(yīng)優(yōu)于0.5%，沖擊分壓器的方波響應(yīng)時間應(yīng)小于100ns。

2 沖擊分壓器的設(shè)計

在該應(yīng)用中，限于示波器輸入信號幅度范圍，需要設(shè)計一種分壓比為1000:1的分壓器。出于工作頻率、電阻穩(wěn)定性和控制分壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)考慮，采用無感高壓玻璃釉膜電阻器，該電阻適合用于脈沖高壓的測量，具有較好的功率吸收能力和重負(fù)載特性。電阻器間用螺絲串接，避免焊接工藝及引線給分壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)帶來不利影響。對沖擊分壓器響應(yīng)性能影響較大的因素有：對地分布電容、引線電感和電阻器阻值穩(wěn)定性。對于一定脈沖能量的信號，要保證阻值的穩(wěn)定，需要電阻器自身能夠承受較高的焦耳熱，電阻器的額定功率選為10W。為避免分壓器對脈沖信號發(fā)生裝置產(chǎn)生影響，需要合理的選擇分壓器的總阻值和設(shè)計結(jié)構(gòu)，一般總阻值不低于500k，同時為避免分壓器輸出阻抗過高，帶來較大的負(fù)載誤差，按實(shí)際使用要求，當(dāng)示波器輸入阻抗選為1MΩ時，低壓臂阻值不超過1kΩ。綜合以上考慮，設(shè)計了二級分壓結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了盡量減小分壓器雜散參數(shù)的影響采取的措施有：（1）減小高壓臂的尺寸，以利于減小對地分布電容；（2）一級分壓和二級分壓各電阻間采用螺絲串接，減少焊接和使用引線連接；（3）一級分壓和二級分壓之間的連接采用屏蔽電纜；（4）物理電位相同點(diǎn)間采用等電位屏蔽措施[3]。在固定了以上各影響參數(shù)后，通過調(diào)節(jié)二級低壓臂的分布參數(shù)來整體改善分壓器的響應(yīng)性能。由于整體分布參數(shù)很難補(bǔ)償，加上電阻元器件的影響，很容易在測量回路中形成干擾，對沖擊信號響應(yīng)的波形呈現(xiàn)出較大的振蕩成分。為此，在接入分壓器的前端增加一阻尼電阻，有效吸收部分振蕩功率，使響應(yīng)的波形更加的平滑，以利于參數(shù)的準(zhǔn)確測量。當(dāng)被測沖擊信號發(fā)生裝置沖擊能量較大時，應(yīng)在分壓器的前段接入一負(fù)載電阻，負(fù)載電阻本身也需采用無感純電阻。反之，當(dāng)沖擊信號發(fā)生裝置沖擊能量較小時，應(yīng)不接入負(fù)載電阻，以免對信號發(fā)生裝置造成影響。

圖1沖擊分壓器原理圖

3 沖擊分壓器性能試驗(yàn)

為了全面考查沖擊分壓器的性能規(guī)劃了如下試驗(yàn)：（1）利用直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源測量沖擊分壓器的穩(wěn)態(tài)分壓比[4]；（2）使用標(biāo)準(zhǔn)方波信號驗(yàn)證沖擊分壓器幅值和分壓比的頻率響應(yīng)特性、方波響應(yīng)上升時間和測量線性度；（3）調(diào)節(jié)沖擊分壓器分布參數(shù)后的標(biāo)準(zhǔn)方波響應(yīng)特性試驗(yàn)。

3.1 穩(wěn)態(tài)分壓比校準(zhǔn)試驗(yàn)

利用直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源校準(zhǔn)沖擊分壓器的穩(wěn)態(tài)分壓比，可以查明分壓器的阻抗特性，通過理論分壓比和實(shí)際分壓比比較，可以判斷出分壓器的阻抗特性的優(yōu)劣。按照分壓器的設(shè)計要求，通過阻值匹配，該沖擊分壓器的理論分壓比為1000:1。由Fluke5720A提供準(zhǔn)確的直流標(biāo)準(zhǔn)電壓，利用34411A數(shù)字多用表測量分壓器低壓測輸出的電壓，由于分壓器的輸出阻抗大約為1kΩ，二次電壓的幅值為（0.1V～0.75V），為了減小分壓器阻抗較高帶來的負(fù)載誤差，應(yīng)設(shè)置34411A為高輸入阻抗?fàn)顟B(tài)（大于10GΩ）。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1穩(wěn)態(tài)分壓比試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知該分壓器具有較好的阻抗特性，分壓比的準(zhǔn)確度約為0.1%。

3.2 方波響應(yīng)特性校準(zhǔn)試驗(yàn)

3.2.1 頻率響應(yīng)

由于分壓器自身存在的分布參數(shù)的影響，對不同頻率的方波其響應(yīng)特性也將不同。于是需要驗(yàn)證沖擊分壓器在不同頻率下的比例誤差。利用Fluke9500校準(zhǔn)器提供一系列頻率標(biāo)準(zhǔn)方波信號，利用34411A和數(shù)字示波器MSO7052B測量分壓器的低壓側(cè)輸出。試驗(yàn)結(jié)果如表2。頻率特性，比例誤差小于±0.5%。

表2 分壓器頻率響應(yīng)試驗(yàn)

3.2.2 線性度

表3 分壓器線性度試驗(yàn)

為了考核該分壓器的線性度，由Fluke9500B在某頻率下，提供一系列幅度的標(biāo)準(zhǔn)方波，用34411A和MSO7052B測量分壓器低壓側(cè)輸出。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

從以上數(shù)據(jù)可知，該分壓器具有較好的線性度，比例誤差小于±0.5%。

3.2.3 方波響應(yīng)上升時間

沖擊分壓器對方波響應(yīng)的上升時間是一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。對于短脈沖信號，如果上升時間過大，測量系統(tǒng)將對被測信號的波形產(chǎn)生很大影響，需要通過調(diào)節(jié)分壓器的分布參數(shù)來改善響應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中，采取調(diào)節(jié)低壓臂的對地分布電容方式來實(shí)現(xiàn)，亦即改變低壓側(cè)輸出電纜的長度。由Fluke9500提供一標(biāo)準(zhǔn)方波信號，方波的固有上升時間為0.5ns，經(jīng)分壓器后由MS05720B測量方波信號的上升時間。試驗(yàn)時，應(yīng)先對示波器進(jìn)行測量功能配置，包括幅度量程、觸發(fā)模式、采集模式和時標(biāo)等，直到示波器正確捕捉到信號。在捕獲波形后，調(diào)節(jié)示波器的時標(biāo)，直至能夠正確測量到上升時間。以下波形由數(shù)字示波器存儲的數(shù)據(jù)繪制而成。試驗(yàn)情況如下：

（1）響應(yīng)波形。如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 2m電纜方波響應(yīng)波形

圖3 1m電纜方波響應(yīng)波形

圖4 0.5m電纜方波響應(yīng)波形

（2）響應(yīng)數(shù)據(jù)。見表4。

表4不同電纜長度響應(yīng)數(shù)據(jù)

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，減小低壓側(cè)電纜長度，上升時間加快，但同時過沖也加大，計算幅度和有效信號幅度基本一致。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計的沖擊分壓器直流穩(wěn)態(tài)分壓比的誤差小于±0.1%；標(biāo)準(zhǔn)方波信號的頻率特性和線性度表現(xiàn)良好，分壓比的誤差均在±0.5%范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)蛪罕圻B接電纜長度小于0.5m時，與示波器配合，構(gòu)成的沖擊電壓測量系統(tǒng)綜合誤差在±1%以內(nèi)。分壓器的整體設(shè)計采用了固定部分分布參數(shù)影響，通過改變低壓臂的分布參數(shù)的方式，達(dá)到了改善分壓器響應(yīng)性能的目的。由于采用了阻尼電阻，由試驗(yàn)獲得的被測信號波形平滑，無大的振蕩成分。一、二級分壓電阻間采用的屏蔽連接電纜有效地控制了分布參數(shù)對測量結(jié)果造成的影響。等電位屏蔽措施有效地減小了泄漏電流的影響，使得整體分壓比較為穩(wěn)定。對數(shù)字示波器存儲的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行截取和求平均值，從而得到有效信號幅度的計算值，能更好地表達(dá)沖擊分壓器對標(biāo)準(zhǔn)方波信號的響應(yīng)。從圖2、圖3和圖4可以看出，對100V方波輸入，分壓器的峰值響應(yīng)扣除過沖的影響后，均穩(wěn)定在0.1V上，

側(cè)面驗(yàn)證了分壓器分壓比的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)方波校準(zhǔn)沖擊分壓器響應(yīng)性能試驗(yàn)中，得到以下幾條結(jié)論：

（1）考查沖擊分壓器的標(biāo)準(zhǔn)方波響應(yīng)能力有三個參數(shù)：峰值測量準(zhǔn)確度、過沖大小和上升時間快慢；

（2）要綜合改善沖擊分壓器的響應(yīng)性能，應(yīng)配合好各項(xiàng)分布參數(shù)，包括對地分布電容和雜散電感；

（3）應(yīng)優(yōu)先保障分壓器的方波響應(yīng)上升時間，盡量減小低壓臂引線電纜的長度，以減小上升時間；

（4）設(shè)計的沖擊分壓器，誤差小于±0.5%，上升時間小于100ns，可以滿足測量要求。

綜上所述，由數(shù)字示波器、沖擊分壓器和連接電纜構(gòu)成的沖擊電壓測量系統(tǒng)滿足被檢沖擊電壓峰值±5%和波前時間±30%的測量要求。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 16927.1-2011,高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求[S].北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2011.

[2]中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JB/T 9615.1-2000,交流低壓電機(jī)散嵌繞組匝間絕緣試驗(yàn)方法[S].北京：國家機(jī)械工業(yè)局，2000.

[3]鄔昌峰.一種測量高壓快脈沖用電阻分壓器的設(shè)計[J].高壓電器,2006,42(5):362-364.

[4]陳煒峰，蔣全興.一種電阻脈沖分壓器的研制[J].高電壓技術(shù),2006,32(7):76-78.

Research on the Impact Divider Performance Test for Measuring Inter-turn Insulation of Motor Stator

CHI Hui
(Fujian Metrology Institute, Fuzhou 350003, Fujian, China)

In the process of research on the project of calibration method of motor stator electrical property testing device,we developed a impact resistance divider,which consist of the measure of equipotential shielding ,the use of non inductance resistor and the distributed capacitance regulating technology.It is used for measuring impulse voltage peak value of motor stator inter turn insulation,and measuring the time to peak.After the test, the error of resistor divider voltage ratio is less than 0.5%,rise time less than 100ns,and it meets the measurement requirements.

Impact resistance divider;Wavefront time; Standard square wave; Divider ratio; Impulse voltage peak value

2014-01-10

池 輝，男，福建省計量科學(xué)研究院副院長，高級工程師