电机定子电气性能检验装置匝间绝缘项目校准方法研究*

2014-03-22张煌辉

计量技术 2014年7期

方　杰　张煌辉　池　辉

(福建省计量科学研究院，福州 350003)

0　引言

电机定子电气性能检验装置是用于电机定子质量检验的综合测试系统，匝间绝缘是其子项目，用于判断定子散嵌绕组是否存在缺陷。开展匝间绝缘项目测试，有利于控制电机成品的缺陷率，降低生产成本。为保证其性能可靠和量值准确，需要对其开展计量校准。然而，国内尚未发布相关的校准技术依据，许多计量技术机构只是参考《JB/T 7080—1993 绕组匝间冲击电压试验仪》里规定的试验方法[1]开展校准，但该项目的具体校准方法缺乏统一性，主要表现：1)峰值电压的截取；2)波前时间的确定；3)测量标准的溯源性要求；4)被校设备的计量特性；5)测量系统的干扰量定量分析。若不能有效解决以上问题，很难统此类设备的量值溯源。

针对以上问题，本文依据被校设备的计量特性，首先给出了校准项目和方法，接着研究测量标准的能力评价方法和其溯源性要求，最后根据校准实例，进行验证和分析。

1　校准项目及方法

匝间绝缘试验项目是通过输出规定峰值的冲击电压，交替加至被试绕组和参考绕组，从得到的两组衰减振荡波形，判别出被试绕组是否存在匝间绝缘故障、短路或断线等，进而获知定子绕组是否存在缺陷。与该项目有关的计量特性为：冲击电压峰值、冲击电压波形波前时间和波形判别功能检查。其中冲击电压的峰值设定范围一般为0～3kV，冲击电压的波前时间一般分为：0.2μs、0.5μs和1.2μs三种规格。推荐为0.5μs[2]，波形判别功能检查有固定的判别规则。按有关标准[3]，冲击电压峰值的误差不超过5%，波前时间的误差不超过30%，波形判别功能只是作为工作正常性检查的一个内容。

1.1　匝间绝缘冲击电压波前时间校准[4]

按图1接好线路，设置检验装置输出一定幅值的匝间绝缘冲击电压，预置好示波器的垂直电压量程，并进行合适的测量功能配置，如时标、触发模式、耦合模式和采集模式。保证示波器能够正常的捕获到被测信号的波形。关闭检验装置输出连续脉冲信号的功能，改成输出单一脉冲信号的模式。并且前后两次的测量应保证检验装置的脉冲电压发生装置达到完全放电，防止对后一次测量造成影响。在示波器正常捕获测量波形后，利用示波器的上升时间测量功能，调节时标，直至能够正确分辨被测信号的上升时间，依据波前时间的定义，利用示波器游标，准确截取被测信号的波前时间Tf。波前时间的截取方法如图2所示。其中，Tf=1.25Tr。

图1　匝间绝缘冲击电压波前时间校准

图2　波前时间截取

1.2　匝间绝缘冲击电压峰值示值误差校准[5]

按图3接好线路，选择的校准点为500V、1000V、1500V、2000V、2500V、3000V，按以上选取的校准点，依次设定检验装置匝间绝缘冲击电压的幅度Yn，配置好示波器测量功能，获取被测冲击电压响应波形。设置合适的时标，截取被测信号波形的有效信号Y0，利用示波器游标，获取被测冲击电压的峰值Ys。则匝间绝缘冲击电压峰值的示值误差按式(1)计算。

(1)

式中，gY为匝间绝缘冲击电压示值相对误差，%；Yn为匝间绝缘冲击电压设定值，kV；Ys为匝间绝缘冲击电压实际值，kV。

其中，Ys按式(2)计算。

Ys=k·Y0

(2)

式中，k为冲击分压器用标准方波信号确定的分压比；Y0为示波器截取的峰值有效信号示值，kV。

校准时，当被测信号响应波形出现较大的振荡成分时，应接入1kΩ的无感负载电阻，以吸收到振荡功率成分，当被测信号响应较平滑时，则无需接入负载，以免对检验装置的匝间绝缘冲击电压发生装置造成影响。匝间冲击电压峰值的截取方法如图4所示。其中响应曲线为被测信号的真实响应波形，基准曲线为扣除测量系统引入的干扰量后的手工模拟曲线。测量标准配置后并固定不变，干扰量δ%则由测量系统的标准方波验证得到。图中的VP约定为被测信号的冲击电压峰值。

图3　匝间绝缘冲击电压峰值示值误差校准接线图

图4　峰值电压截取

1.3　波形判别功能检查[6]

匝间绝缘波形故障判别的依据是观察和分析显示屏上的波形及显示的峰值电压。按规定设置匝间冲击电压峰值，通过施加到被试品各绕组上，观察响应波形，并通过波形比较，可以检测出线圈匝间和层间的绝缘状况及圈数和磁性材料的差异，进而判别被试品各绕组是否有故障。选择一合格被试品，对匝间绝缘测试功能进行功能性检查。

2　校准用测量标准研究

校准匝间绝缘项目所用的标准器有：数字示波器、高压衰减器和冲击分压器。其中，数字示波器带宽需大于100M，采样率大于4Gsa/s，垂直电压误差不大于0.5%；高压衰减器的带宽高于50M，且方波响应上升时间应小于50ns；冲击分压器的标准方波验证分压比误差应不大于0.5%，方波响应上升时间不大于100ns。

2.1　冲击分压器性能评价

校准用冲击分压器由无感高压玻璃釉膜电阻器构成，采取了等电位屏蔽、二级分压结构和低压侧分布参数可调节等技术和措施。对该冲击分压器开展了三个层次的性能试验：1)直流标准电压下分压比测定；2)标准方波频率响应；3)标准方波线性度验证。在直流标准电压下，该分压器的分压比误差小于0.1%，在各频率点下的分压比误差不超过±0.5%，线性度良好。

2.2　冲击分压器分布参数影响试验

为了验证低压侧分布参数调节技术，利用标准方波信号作为被测信号源，通过改变低压侧电缆的引出长度，查明分布参数的影响。在试验中选用了0.5m、1m和2m三种长度的引出电缆。对同一频率和相同幅值的标准方波进行测量，冲击分压器的响应波形如图5所示。

图5　各电缆长度下方波响应波形

从图中可以看出，当改变电缆长度后，方波响应的上升时间和过冲等参数都发生了较大变化。被测方波信号的幅度为100V，分压器的分压比为1000:1，各长度电缆在经历不同时间后稳定在0.1V位置。由此说明，不同规格的电缆对同一信号引入的干扰量不同，扣除干扰量的影响后，有效信号部分是相同的。试验数据如表1所示。

表1　各电缆长度下的响应

上表中的数据，“计算幅度”为响应的峰值减去过冲后的结果，“有效信号幅度”是由示波器存储的数据序列经过计算得到。表1数据表明“计算幅度”和“有效信号幅度”基本一致。比较图4和图5，可以认为测量标准在扣除自身引入的干扰量后，即为被测信号的幅度测量结果。而脉冲信号可以理解为一种特殊形式的方波，即占空比很小的方波。在现有技术条件下，姑且认为测量标准对方波响应等同于对脉冲波形的响应。

2.3　试验结论分析

通过以上试验，明确了在考查冲击分压器响应性能时，应优先保障上升时间，只有上升时间足够小，对于快前沿的脉冲信号，测量标准才能有效地响应被测信号。否则，被测信号有可能被“湮没”。但是，从改变分布参数试验中，了解到上升时间和干扰量是互为矛盾的一对参数，因此，需要进一步进行试验验证。需要验证的内容为：固定测量标准后，亦即固定低压侧引出电缆的长度，测量标准引入的干扰量是否“稳定”，只有干扰量是稳定的，才能对测量结果进行修正。表2给出了干扰量10次独立重复测量的结果，从表中可以看出，测量标准引入的干扰量较为稳定。因此，被测冲击电压的峰值可以认为是响应峰值扣除过冲的影响后得到的结果。

表2

测量次数线缆长度/m输入电压/V峰峰值/mV过冲/%上升时间/μs计算幅度/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标准偏差//0　50　340　0110　2357