方　杰　張煌輝　池　輝

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

0　引言

電機(jī)定子電氣性能檢驗(yàn)裝置是用于電機(jī)定子質(zhì)量檢驗(yàn)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，匝間絕緣是其子項(xiàng)目，用于判斷定子散嵌繞組是否存在缺陷。開(kāi)展匝間絕緣項(xiàng)目測(cè)試，有利于控制電機(jī)成品的缺陷率，降低生產(chǎn)成本。為保證其性能可靠和量值準(zhǔn)確，需要對(duì)其開(kāi)展計(jì)量校準(zhǔn)。然而，國(guó)內(nèi)尚未發(fā)布相關(guān)的校準(zhǔn)技術(shù)依據(jù)，許多計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)只是參考《JB/T 7080—1993 繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀》里規(guī)定的試驗(yàn)方法[1]開(kāi)展校準(zhǔn)，但該項(xiàng)目的具體校準(zhǔn)方法缺乏統(tǒng)一性，主要表現(xiàn)：1)峰值電壓的截??；2)波前時(shí)間的確定；3)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性要求；4)被校設(shè)備的計(jì)量特性；5)測(cè)量系統(tǒng)的干擾量定量分析。若不能有效解決以上問(wèn)題，很難統(tǒng)此類(lèi)設(shè)備的量值溯源。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文依據(jù)被校設(shè)備的計(jì)量特性，首先給出了校準(zhǔn)項(xiàng)目和方法，接著研究測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的能力評(píng)價(jià)方法和其溯源性要求，最后根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)例，進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

1　校準(zhǔn)項(xiàng)目及方法

匝間絕緣試驗(yàn)項(xiàng)目是通過(guò)輸出規(guī)定峰值的沖擊電壓，交替加至被試?yán)@組和參考繞組，從得到的兩組衰減振蕩波形，判別出被試?yán)@組是否存在匝間絕緣故障、短路或斷線(xiàn)等，進(jìn)而獲知定子繞組是否存在缺陷。與該項(xiàng)目有關(guān)的計(jì)量特性為：沖擊電壓峰值、沖擊電壓波形波前時(shí)間和波形判別功能檢查。其中沖擊電壓的峰值設(shè)定范圍一般為0～3kV，沖擊電壓的波前時(shí)間一般分為：0.2μs、0.5μs和1.2μs三種規(guī)格。推薦為0.5μs[2]，波形判別功能檢查有固定的判別規(guī)則。按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，沖擊電壓峰值的誤差不超過(guò)5%，波前時(shí)間的誤差不超過(guò)30%，波形判別功能只是作為工作正常性檢查的一個(gè)內(nèi)容。

1.1　匝間絕緣沖擊電壓波前時(shí)間校準(zhǔn)[4]

按圖1接好線(xiàn)路，設(shè)置檢驗(yàn)裝置輸出一定幅值的匝間絕緣沖擊電壓，預(yù)置好示波器的垂直電壓量程，并進(jìn)行合適的測(cè)量功能配置，如時(shí)標(biāo)、觸發(fā)模式、耦合模式和采集模式。保證示波器能夠正常的捕獲到被測(cè)信號(hào)的波形。關(guān)閉檢驗(yàn)裝置輸出連續(xù)脈沖信號(hào)的功能，改成輸出單一脈沖信號(hào)的模式。并且前后兩次的測(cè)量應(yīng)保證檢驗(yàn)裝置的脈沖電壓發(fā)生裝置達(dá)到完全放電，防止對(duì)后一次測(cè)量造成影響。在示波器正常捕獲測(cè)量波形后，利用示波器的上升時(shí)間測(cè)量功能，調(diào)節(jié)時(shí)標(biāo)，直至能夠正確分辨被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間，依據(jù)波前時(shí)間的定義，利用示波器游標(biāo)，準(zhǔn)確截取被測(cè)信號(hào)的波前時(shí)間Tf。波前時(shí)間的截取方法如圖2所示。其中，Tf=1.25Tr。

圖1　匝間絕緣沖擊電壓波前時(shí)間校準(zhǔn)

圖2　波前時(shí)間截取

1.2　匝間絕緣沖擊電壓峰值示值誤差校準(zhǔn)[5]

按圖3接好線(xiàn)路，選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)為500V、1000V、1500V、2000V、2500V、3000V，按以上選取的校準(zhǔn)點(diǎn)，依次設(shè)定檢驗(yàn)裝置匝間絕緣沖擊電壓的幅度Yn，配置好示波器測(cè)量功能，獲取被測(cè)沖擊電壓響應(yīng)波形。設(shè)置合適的時(shí)標(biāo)，截取被測(cè)信號(hào)波形的有效信號(hào)Y0，利用示波器游標(biāo)，獲取被測(cè)沖擊電壓的峰值Ys。則匝間絕緣沖擊電壓峰值的示值誤差按式(1)計(jì)算。

(1)

式中，gY為匝間絕緣沖擊電壓示值相對(duì)誤差，%；Yn為匝間絕緣沖擊電壓設(shè)定值，kV；Ys為匝間絕緣沖擊電壓實(shí)際值，kV。

其中，Ys按式(2)計(jì)算。

Ys=k·Y0

(2)

式中，k為沖擊分壓器用標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)確定的分壓比；Y0為示波器截取的峰值有效信號(hào)示值，kV。

校準(zhǔn)時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)響應(yīng)波形出現(xiàn)較大的振蕩成分時(shí)，應(yīng)接入1kΩ的無(wú)感負(fù)載電阻，以吸收到振蕩功率成分，當(dāng)被測(cè)信號(hào)響應(yīng)較平滑時(shí)，則無(wú)需接入負(fù)載，以免對(duì)檢驗(yàn)裝置的匝間絕緣沖擊電壓發(fā)生裝置造成影響。匝間沖擊電壓峰值的截取方法如圖4所示。其中響應(yīng)曲線(xiàn)為被測(cè)信號(hào)的真實(shí)響應(yīng)波形，基準(zhǔn)曲線(xiàn)為扣除測(cè)量系統(tǒng)引入的干擾量后的手工模擬曲線(xiàn)。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)配置后并固定不變，干擾量δ%則由測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方波驗(yàn)證得到。圖中的VP約定為被測(cè)信號(hào)的沖擊電壓峰值。

圖3　匝間絕緣沖擊電壓峰值示值誤差校準(zhǔn)接線(xiàn)圖

圖4　峰值電壓截取

1.3　波形判別功能檢查[6]

匝間絕緣波形故障判別的依據(jù)是觀察和分析顯示屏上的波形及顯示的峰值電壓。按規(guī)定設(shè)置匝間沖擊電壓峰值，通過(guò)施加到被試品各繞組上，觀察響應(yīng)波形，并通過(guò)波形比較，可以檢測(cè)出線(xiàn)圈匝間和層間的絕緣狀況及圈數(shù)和磁性材料的差異，進(jìn)而判別被試品各繞組是否有故障。選擇一合格被試品，對(duì)匝間絕緣測(cè)試功能進(jìn)行功能性檢查。

2　校準(zhǔn)用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)研究

校準(zhǔn)匝間絕緣項(xiàng)目所用的標(biāo)準(zhǔn)器有：數(shù)字示波器、高壓衰減器和沖擊分壓器。其中，數(shù)字示波器帶寬需大于100M，采樣率大于4Gsa/s，垂直電壓誤差不大于0.5%；高壓衰減器的帶寬高于50M，且方波響應(yīng)上升時(shí)間應(yīng)小于50ns；沖擊分壓器的標(biāo)準(zhǔn)方波驗(yàn)證分壓比誤差應(yīng)不大于0.5%，方波響應(yīng)上升時(shí)間不大于100ns。

2.1　沖擊分壓器性能評(píng)價(jià)

校準(zhǔn)用沖擊分壓器由無(wú)感高壓玻璃釉膜電阻器構(gòu)成，采取了等電位屏蔽、二級(jí)分壓結(jié)構(gòu)和低壓側(cè)分布參數(shù)可調(diào)節(jié)等技術(shù)和措施。對(duì)該沖擊分壓器開(kāi)展了三個(gè)層次的性能試驗(yàn)：1)直流標(biāo)準(zhǔn)電壓下分壓比測(cè)定；2)標(biāo)準(zhǔn)方波頻率響應(yīng)；3)標(biāo)準(zhǔn)方波線(xiàn)性度驗(yàn)證。在直流標(biāo)準(zhǔn)電壓下，該分壓器的分壓比誤差小于0.1%，在各頻率點(diǎn)下的分壓比誤差不超過(guò)±0.5%，線(xiàn)性度良好。

2.2　沖擊分壓器分布參數(shù)影響試驗(yàn)

為了驗(yàn)證低壓側(cè)分布參數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)源，通過(guò)改變低壓側(cè)電纜的引出長(zhǎng)度，查明分布參數(shù)的影響。在試驗(yàn)中選用了0.5m、1m和2m三種長(zhǎng)度的引出電纜。對(duì)同一頻率和相同幅值的標(biāo)準(zhǔn)方波進(jìn)行測(cè)量，沖擊分壓器的響應(yīng)波形如圖5所示。

圖5　各電纜長(zhǎng)度下方波響應(yīng)波形

從圖中可以看出，當(dāng)改變電纜長(zhǎng)度后，方波響應(yīng)的上升時(shí)間和過(guò)沖等參數(shù)都發(fā)生了較大變化。被測(cè)方波信號(hào)的幅度為100V，分壓器的分壓比為1000:1，各長(zhǎng)度電纜在經(jīng)歷不同時(shí)間后穩(wěn)定在0.1V位置。由此說(shuō)明，不同規(guī)格的電纜對(duì)同一信號(hào)引入的干擾量不同，扣除干擾量的影響后，有效信號(hào)部分是相同的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　各電纜長(zhǎng)度下的響應(yīng)

上表中的數(shù)據(jù)，“計(jì)算幅度”為響應(yīng)的峰值減去過(guò)沖后的結(jié)果，“有效信號(hào)幅度”是由示波器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)序列經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。表1數(shù)據(jù)表明“計(jì)算幅度”和“有效信號(hào)幅度”基本一致。比較圖4和圖5，可以認(rèn)為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)在扣除自身引入的干擾量后，即為被測(cè)信號(hào)的幅度測(cè)量結(jié)果。而脈沖信號(hào)可以理解為一種特殊形式的方波，即占空比很小的方波。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，姑且認(rèn)為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方波響應(yīng)等同于對(duì)脈沖波形的響應(yīng)。

2.3　試驗(yàn)結(jié)論分析

通過(guò)以上試驗(yàn)，明確了在考查沖擊分壓器響應(yīng)性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保障上升時(shí)間，只有上升時(shí)間足夠小，對(duì)于快前沿的脈沖信號(hào)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)才能有效地響應(yīng)被測(cè)信號(hào)。否則，被測(cè)信號(hào)有可能被“湮沒(méi)”。但是，從改變分布參數(shù)試驗(yàn)中，了解到上升時(shí)間和干擾量是互為矛盾的一對(duì)參數(shù)，因此，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。需要驗(yàn)證的內(nèi)容為：固定測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)后，亦即固定低壓側(cè)引出電纜的長(zhǎng)度，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)引入的干擾量是否“穩(wěn)定”，只有干擾量是穩(wěn)定的，才能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。表2給出了干擾量10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量的結(jié)果，從表中可以看出，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)引入的干擾量較為穩(wěn)定。因此，被測(cè)沖擊電壓的峰值可以認(rèn)為是響應(yīng)峰值扣除過(guò)沖的影響后得到的結(jié)果。

表2

測(cè)量次數(shù)線(xiàn)纜長(zhǎng)度/m輸入電壓/V峰峰值/mV過(guò)沖/%上升時(shí)間/μs計(jì)算幅度/mV10　8610012626　80　8099　36920　8610012727　40　8099　68630　8610012626　50　8199　60540　8610012726　90　80100　07950　8610012726　90　80100　07960　8610012727　30　7999　76470　8610012626　70　8099　44880　8610012727　40　8099　68690　8610012727　50　7999　608100　8610012727　20　7799　843平均值//126　727　060　79699　7167標(biāo)準(zhǔn)偏差//0　50　340　0110　2357

3　校準(zhǔn)實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量能力，進(jìn)行了一次校準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證，被校對(duì)象為DCSYP型電機(jī)定子綜合測(cè)試系統(tǒng)(石家莊新三佳科技有限公司生產(chǎn))的匝間絕緣功能部分，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，2.5kV試驗(yàn)響應(yīng)波形見(jiàn)圖6。

表3　校準(zhǔn)結(jié)果

圖6　2.5kV試驗(yàn)響應(yīng)波形

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)匝間絕緣項(xiàng)目，提出了校準(zhǔn)項(xiàng)目及方法，對(duì)校準(zhǔn)用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。深入分析了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于脈沖信號(hào)測(cè)量中自身引入的干擾問(wèn)題，并進(jìn)行了具體評(píng)價(jià)。為國(guó)內(nèi)外同行開(kāi)展此類(lèi)設(shè)備的校準(zhǔn)，提供了一種新的參考方法。對(duì)于將來(lái)起草該類(lèi)項(xiàng)目的校準(zhǔn)技術(shù)依據(jù)具備一定的參考價(jià)值。

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