电机定子匝间绝缘测量用冲击分压器性能试验研究

池 辉

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

电机定子匝间绝缘测量用冲击分压器性能试验研究

池 辉

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

在研究电机定子电气性能检验装置校准方法项目过程中，研制了一种采用高压无感电阻、等电位屏蔽措施、二级分压结构和分布电容调节技术的冲击分压器，它被用于电机定子匝间绝缘项目的冲击电压峰值和波前时间的测量。经过试验，该电阻分压器的分压比误差小于0.5%；上升时间小于100ns，满足测量指标要求。

电阻冲击分压器；波前时间；标准方波；分压比；冲击电压峰值

1 引言

冲击分压器是脉冲电压测量系统的重要部件，其性能直接决定了脉冲电压参数测量的准确度。在评价过程中，分压器对冲击信号的响应能力表现为：分压比是否稳定和方波响应上升时间的快慢。在校准电机定子电气性能检验装置的匝间绝缘项目时，被校设备的冲击电压峰值范围一般为：（0.1～3）kV，脉冲波形的波前时间一般分为0.2μs、0.5μs和1.2μs等几种规格[1]。测量系统主要由数字存储示波器和高压衰减器构成，依据被校设备计量特性和相关标准的要求[2]，示波器的电压幅值测量精度应优于1%，高压衰减器（以下称为“冲击分压器”）的分压比精度应优于0.5%，冲击分压器的方波响应时间应小于100ns。

2 冲击分压器的设计

在该应用中，限于示波器输入信号幅度范围，需要设计一种分压比为1000:1的分压器。出于工作频率、电阻稳定性和控制分压器结构参数考虑，采用无感高压玻璃釉膜电阻器，该电阻适合用于脉冲高压的测量，具有较好的功率吸收能力和重负载特性。电阻器间用螺丝串接，避免焊接工艺及引线给分压器结构参数带来不利影响。对冲击分压器响应性能影响较大的因素有：对地分布电容、引线电感和电阻器阻值稳定性。对于一定脉冲能量的信号，要保证阻值的稳定，需要电阻器自身能够承受较高的焦耳热，电阻器的额定功率选为10W。为避免分压器对脉冲信号发生装置产生影响，需要合理的选择分压器的总阻值和设计结构，一般总阻值不低于500k，同时为避免分压器输出阻抗过高，带来较大的负载误差，按实际使用要求，当示波器输入阻抗选为1MΩ时，低压臂阻值不超过1kΩ。综合以上考虑，设计了二级分压结构，其结构如图1所示。

为了尽量减小分压器杂散参数的影响采取的措施有：（1）减小高压臂的尺寸，以利于减小对地分布电容；（2）一级分压和二级分压各电阻间采用螺丝串接，减少焊接和使用引线连接；（3）一级分压和二级分压之间的连接采用屏蔽电缆；（4）物理电位相同点间采用等电位屏蔽措施[3]。在固定了以上各影响参数后，通过调节二级低压臂的分布参数来整体改善分压器的响应性能。由于整体分布参数很难补偿，加上电阻元器件的影响，很容易在测量回路中形成干扰，对冲击信号响应的波形呈现出较大的振荡成分。为此，在接入分压器的前端增加一阻尼电阻，有效吸收部分振荡功率，使响应的波形更加的平滑，以利于参数的准确测量。当被测冲击信号发生装置冲击能量较大时，应在分压器的前段接入一负载电阻，负载电阻本身也需采用无感纯电阻。反之，当冲击信号发生装置冲击能量较小时，应不接入负载电阻，以免对信号发生装置造成影响。

图1冲击分压器原理图

3 冲击分压器性能试验

为了全面考查冲击分压器的性能规划了如下试验：（1）利用直流标准电压源测量冲击分压器的稳态分压比[4]；（2）使用标准方波信号验证冲击分压器幅值和分压比的频率响应特性、方波响应上升时间和测量线性度；（3）调节冲击分压器分布参数后的标准方波响应特性试验。

3.1 稳态分压比校准试验

利用直流标准电压源校准冲击分压器的稳态分压比，可以查明分压器的阻抗特性，通过理论分压比和实际分压比比较，可以判断出分压器的阻抗特性的优劣。按照分压器的设计要求，通过阻值匹配，该冲击分压器的理论分压比为1000:1。由Fluke5720A提供准确的直流标准电压，利用34411A数字多用表测量分压器低压测输出的电压，由于分压器的输出阻抗大约为1kΩ，二次电压的幅值为（0.1V～0.75V），为了减小分压器阻抗较高带来的负载误差，应设置34411A为高输入阻抗状态（大于10GΩ）。试验结果见表1。

表1稳态分压比试验结果

从试验数据可知该分压器具有较好的阻抗特性，分压比的准确度约为0.1%。

3.2 方波响应特性校准试验

3.2.1 频率响应

由于分压器自身存在的分布参数的影响，对不同频率的方波其响应特性也将不同。于是需要验证冲击分压器在不同频率下的比例误差。利用Fluke9500校准器提供一系列频率标准方波信号，利用34411A和数字示波器MSO7052B测量分压器的低压侧输出。试验结果如表2。频率特性，比例误差小于±0.5%。

表2 分压器频率响应试验

3.2.2 线性度

表3 分压器线性度试验

为了考核该分压器的线性度，由Fluke9500B在某频率下，提供一系列幅度的标准方波，用34411A和MSO7052B测量分压器低压侧输出。试验结果如表3。

从以上数据可知，该分压器具有较好的线性度，比例误差小于±0.5%。

3.2.3 方波响应上升时间

冲击分压器对方波响应的上升时间是一项重要的性能参数。对于短脉冲信号，如果上升时间过大，测量系统将对被测信号的波形产生很大影响，需要通过调节分压器的分布参数来改善响应性能，在实际应用中，采取调节低压臂的对地分布电容方式来实现，亦即改变低压侧输出电缆的长度。由Fluke9500提供一标准方波信号，方波的固有上升时间为0.5ns，经分压器后由MS05720B测量方波信号的上升时间。试验时，应先对示波器进行测量功能配置，包括幅度量程、触发模式、采集模式和时标等，直到示波器正确捕捉到信号。在捕获波形后，调节示波器的时标，直至能够正确测量到上升时间。以下波形由数字示波器存储的数据绘制而成。试验情况如下：

（1）响应波形。如图2、图3和图4所示。

图2 2m电缆方波响应波形

图3 1m电缆方波响应波形

图4 0.5m电缆方波响应波形

（2）响应数据。见表4。

表4不同电缆长度响应数据

（3）试验数据分析

由以上试验数据可知，减小低压侧电缆长度，上升时间加快，但同时过冲也加大，计算幅度和有效信号幅度基本一致。

4 试验结果分析

设计的冲击分压器直流稳态分压比的误差小于±0.1%；标准方波信号的频率特性和线性度表现良好，分压比的误差均在±0.5%范围内。当低压臂连接电缆长度小于0.5m时，与示波器配合，构成的冲击电压测量系统综合误差在±1%以内。分压器的整体设计采用了固定部分分布参数影响，通过改变低压臂的分布参数的方式，达到了改善分压器响应性能的目的。由于采用了阻尼电阻，由试验获得的被测信号波形平滑，无大的振荡成分。一、二级分压电阻间采用的屏蔽连接电缆有效地控制了分布参数对测量结果造成的影响。等电位屏蔽措施有效地减小了泄漏电流的影响，使得整体分压比较为稳定。对数字示波器存储的数据文件进行截取和求平均值，从而得到有效信号幅度的计算值，能更好地表达冲击分压器对标准方波信号的响应。从图2、图3和图4可以看出，对100V方波输入，分压器的峰值响应扣除过冲的影响后，均稳定在0.1V上，

侧面验证了分压器分压比的稳定性。

5 结论

在标准方波校准冲击分压器响应性能试验中，得到以下几条结论：

（1）考查冲击分压器的标准方波响应能力有三个参数：峰值测量准确度、过冲大小和上升时间快慢；

（2）要综合改善冲击分压器的响应性能，应配合好各项分布参数，包括对地分布电容和杂散电感；

（3）应优先保障分压器的方波响应上升时间，尽量减小低压臂引线电缆的长度，以减小上升时间；

（4）设计的冲击分压器，误差小于±0.5%，上升时间小于100ns，可以满足测量要求。

综上所述，由数字示波器、冲击分压器和连接电缆构成的冲击电压测量系统满足被检冲击电压峰值±5%和波前时间±30%的测量要求。

[1]中华人民共和国国家标准.GB/T 16927.1-2011,高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求[S].北京:国家质量监督检验检疫总局,2011.

[2]中华人民共和国机械行业标准.JB/T 9615.1-2000,交流低压电机散嵌绕组匝间绝缘试验方法[S].北京：国家机械工业局，2000.

[3]邬昌峰.一种测量高压快脉冲用电阻分压器的设计[J].高压电器,2006,42(5):362-364.

[4]陈炜峰，蒋全兴.一种电阻脉冲分压器的研制[J].高电压技术,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 辉，男，福建省计量科学研究院副院长，高级工程师