影響電壓動(dòng)態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素：

升壓速度的影響 ：

在試驗(yàn)過(guò)程中試品的擊穿是電與熱共同作用的結(jié)果。同一材料進(jìn)行快速升壓試驗(yàn)時(shí)，電熱作用時(shí)間短；進(jìn)行非常慢速的升壓試驗(yàn)時(shí)，電熱作用時(shí)間加長(zhǎng)，發(fā)熱增大，擊穿電壓值相對(duì)偏小。升壓速 度一定程度上會(huì)影響材料的擊穿電壓值，因此在絕緣材料的連續(xù)升壓試驗(yàn)中，一般對(duì)速度有明確的規(guī) 定[2]。傳統(tǒng)的直流電機(jī)控制調(diào)速存在調(diào)節(jié)精度低、可靠性差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等難以克服的缺陷。本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，設(shè)計(jì) 時(shí)在調(diào)壓器的碳刷上固定一個(gè)直徑為 250 mm的齒 輪轉(zhuǎn)盤，在步進(jìn)電機(jī)的軸上固定一個(gè)直徑為 25 mm 的齒輪，兩齒輪減速比為 10∶1，將調(diào)壓器慣性前行 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度降低了 10 倍。為了能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)精密 調(diào)壓和降噪，在步進(jìn)電機(jī)的前級(jí)施加一個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng) 器，它能夠?qū)?.8°的步距角進(jìn)一步細(xì)分，考慮到本系統(tǒng)功率小，可選擇性價(jià)比高的 256 細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器。將原有的一個(gè)步距角細(xì)分成 256 等份，又進(jìn)一步提升了步進(jìn)電機(jī)在起速和減速停止階段的速度，減少了步進(jìn)電機(jī)的慣性和噪聲[3]，從而能夠?qū)崿F(xiàn)恒速平穩(wěn)調(diào)壓。

調(diào)壓器分辨率的影響 ：

接觸式調(diào)壓器是一種自耦式變壓器，其原副邊 比接近 1∶1，常用的單相 3 kVA調(diào)壓器匝數(shù)約為 250 匝，接近 1V/匝，本系統(tǒng)中只用到調(diào)壓器的 0～200 V，高壓變壓器的匝數(shù)比為 200∶50 000，調(diào)壓器的 1 匝對(duì)應(yīng)高壓端的 250 V，相差 1 匝測(cè)試電壓相差 250 V，調(diào)壓器對(duì)測(cè)試電壓分辨率的影響為0.25 kV。 調(diào)壓器確定時(shí)，不考慮采樣周期等其他因素的影響，擊穿電壓測(cè)試儀的分辨率也確定，擊穿電壓值 的誤差從理論上分析只和試驗(yàn)電壓值有關(guān)系，試驗(yàn) 電壓值越低，分辨率引入的誤差就越大，滿量程 50 kV 時(shí)的誤差為 0.5%，10% 量程時(shí)的誤差為 5%。為提高擊穿電壓值在低量程時(shí)的準(zhǔn)確度，在調(diào)壓器和變壓器之間串接一個(gè)輸入 200 V、輸出多量程的變 壓器，如表 1 所示。改進(jìn)后的設(shè)備在 10% 量程時(shí)選擇多抽頭變壓器的 25 V 檔，對(duì)應(yīng)調(diào)壓器輸出電壓 200 V，對(duì)應(yīng)高壓輸出 5 kV。按照上述調(diào)壓器分辨 率的分析，分辨率改善為原有的 1/8，誤差降低至 0.625%，顯 著 提 高 了 擊 穿 電 壓 在 低 量 程 時(shí) 的 分 辨率。

過(guò)流斷閘時(shí)間：

在絕緣材料擊穿試驗(yàn)過(guò)程中，恒速升壓將電壓 施加到試品上，試品在電、熱的共同作用下發(fā)生絕 緣失效，破壞瞬間阻值急速下降，形成導(dǎo)電通道，高壓瞬間對(duì)地短路。在此過(guò)程中，流過(guò)試品的電流先從零緩慢增加，在破壞前期一般會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的放 電，電流值有所增加，破壞瞬間，電流陡增。系統(tǒng)檢 測(cè)到過(guò)電流信號(hào)立刻發(fā)出停止指令，斷開主回路電源。從識(shí)別過(guò)流信號(hào)到發(fā)出停止指令，再到斷閘動(dòng)作完成，需要一定的時(shí)間，此過(guò)程時(shí)間越短越好。

本系統(tǒng)中電流信號(hào)通過(guò)采樣電阻和信號(hào)調(diào)理 電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)輸入至LM311比較 器的比較端，同 LM311 比較器的基準(zhǔn)端進(jìn)行比較， 當(dāng)測(cè)試信號(hào)超過(guò)基準(zhǔn)值時(shí)，LM311的輸出端會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)電平躍變，驅(qū)動(dòng)中間繼電器動(dòng)作，切斷主回路 電源。LM311是高速電壓比較器，其輸入和輸出的 動(dòng)作時(shí)間約為 100 ns。繼電器的動(dòng)作時(shí)間稍緩，為 增加動(dòng)作的快速性，最終選擇高性能的歐姆龍繼電 器和施耐德接觸器，采用示波器監(jiān)測(cè)其動(dòng)作時(shí)間約 為40 ms，滿足系統(tǒng)性能要求。

采樣周期的影響分析：

50 kV 工頻電壓通過(guò)分壓、放大等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成 5 V 直流電壓信號(hào)，再通過(guò) VF 電路轉(zhuǎn)換成 100 kHz 脈沖信號(hào)。本系統(tǒng)選擇西門子 s7-200 系列 214- 2AD23-0XB8 型 PLC，脈沖信號(hào)的采集由 PLC 內(nèi)置 的高速計(jì)數(shù)器結(jié)合中斷程序來(lái)完成。測(cè)量時(shí)，只需 定義中斷間隔時(shí)間，統(tǒng)計(jì)每次中斷間隔時(shí)間段內(nèi)的 脈沖個(gè)數(shù) N，通過(guò)比例換算就可直接顯示為對(duì)應(yīng)的 電壓值[4]。

由 PLC 的高速計(jì)數(shù)器和優(yōu)先級(jí)高的中斷程序 組成的A/D變換器，轉(zhuǎn)換周期從1 ms到250 ms可自 由設(shè)置。采樣周期的大小影響測(cè)試的分辨率，當(dāng)采 樣周期小時(shí)，跟蹤速度快，但分辨率低、誤差大；當(dāng) 采樣周期大時(shí)，測(cè)量分辨率高，但系統(tǒng)跟蹤速度慢， 電壓測(cè)量滯后，易造成動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。

本系統(tǒng)中試驗(yàn)電壓滿量程 u（0 50 kV）對(duì)應(yīng)的頻 率信號(hào)為100 kHz，若選擇采樣周期T是10 ms，則采 樣點(diǎn)數(shù)N是100，一個(gè)采樣周期內(nèi)采集的脈沖數(shù)n是 1 000，量化誤差e(n)為最小量化單位1 Hz的二分之 一，即0.05%。升壓過(guò)程中電壓值是動(dòng)態(tài)變化的，相 鄰兩采樣點(diǎn)之間的電壓差值和速度有很大關(guān)系，理 想狀態(tài)下電壓差值是升壓速度的 1/N。表 2 是在不 同的采樣掃描周期和不同的升壓速度下得出的對(duì) 電壓測(cè)量準(zhǔn)確度的誤差數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，掃描周期越短，采樣周期引入的量化誤差就越大，采樣誤差g(n)越小；掃描周期越長(zhǎng)，量化誤差就越小，采樣誤差越大。在50 kV擊穿電壓測(cè)試儀的實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)試的試品是各種絕緣材料，升壓速度通常從 0.5～2.0 kV/s 選取。結(jié)合以 上數(shù)據(jù)分析，選擇的最佳采樣周期是60 ms。