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新型一体式电气设备绝缘强度实验平台的设计(2)

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图3 雷电冲击电压试验原理图

雷电冲击电压试验系统所用设备包括试验变压器、整流硅堆、电阻分压器、充电球隙、电容器、波头电阻、波尾电阻、冲击分压器、测量球隙、实验操作台及短路棒组成。

2 一体式电气设备绝缘强度实验平台的设计方案

本文提出的一体式电气设备绝缘强度实验平台主要分为耐压实验主回路和操作控制台两部分[1 3-1 4]。

2.1 耐压实验主回路设计方案

一体式电气设备绝缘强度实验系统实物图(以下简称:实验系统)如图4 所示。

图4 电气设备绝缘强度实验主回路

本文提出的一体式电气设备绝缘强度实验平台主回路设计方案具有以下特点:

(1)实验系统充分考虑了耐压实验的通用性问题，在同一平台上可以方便地分别完成工频交流耐压实验、直流耐压实验及冲击耐压实验;

(2)实验系统的设计采用“积木拼搭”式结构，将主回路中的电气设备封装化，进而采用柱体短路棒进行实验接线。这种方式代替了传统的线连式接线方式，使得实验接线简易、方便、直观、安全，有效地避免了由接线错误引起的设备损坏、人员伤亡等安全问题;

(3)实验系统采用球间隙作为被测试品，通过记录球隙击穿的电压值及击穿电压波形来完成实验。在保证顺利达到实验教学目的的同时，大大降低了绝缘试品的成本。

2.2 实验操作台的设计方案

本文设计的实验操作台采用了先进的ARM 微处理器、高精度测量单元及电机拖动调压方式，配以菜单式人机交互界面，操作直观简便。在完成耐压实验的同时，兼具电压检测校准功能，结构如图5 所示。

本文设计的实验操作台通过基于ARM 技术的STM32F103 处理器的控制，实现对耐压实验回路中变压器原/副边电压、交流回路电流、直流回路电压/电流采样，并将电量信息显示在液晶屏上;利用面板按键控制处理器驱动步进电机实现调压、调球隙操作;当所加电压导致测量球隙击穿时，实验操作台将击穿瞬间的电压值及击穿时刻显示，方便实验记录。同时，还可以在液晶校准菜单中手动校准电压测量值。

图5 电气设备绝缘强度操作台结构图

2.2.1 实验操作台硬件设计

实验操作台可分为5 大功能模块:

(1)电量采集及信号调理电路模块

信号调理模块主要功能:将耐压实验回路中的交流电压、电流分别经过隔离型电压和电流互感器变换为较小范围的电压和电流值，然后送入运算放大器OP07，将其由电流信号转换为电压信号，接着电压信号经过一个由运算放大器TL082 构成的跟随电路，以提高信号的带负载能力，最后把经过调理的信号送到数模转换芯片AD7607 的模拟输入管脚，以进行数据的采集工作。在信号调理模块中，R1 和R2 为限流电阻，可以根据输入电压的大小，适当调节阻值，使前向的输入电流处于互感器的工作范围内;BAV99 在电路中起保护作用，电容则用于滤波，减少外部干扰，保证输入信号的精度。图6为电压信号的调理电路。

图6 电压信号的调理电路

电流信号调理电路中电流互感器采用SCT224，其电路原理与电压信号的大致相同。

对于直流回路电量，本设计采用电阻分压方式采集直流回路电压，采用电阻取样方式采集直流回路电流。

(2)模数转换电路模块

在耐压检测中，数模转换模块起着至关重要的作用，因为只有实现对耐压实验回路中的电压、电流数据的精确测量，才有可能在后续的工作中完成对谐波的分析和处理。因此，在本装置中并没有采用STM32 自带的12 位A/D 转换模块，而是使用了AD7607 这款性能极高的数模转换芯片。

实验操作台对耐压实验回路中的电压、电流采样进行12 倍频，即采样周期为600Hz，同时为了使系统具有较高的数据吞吐率，使用五通道同步采样的模式，并采用并行接口的方式来传输采样数据。 AD7607 的三个CONVST 管脚连接到一起时，5 个通道可以进行同步采样，可提高整个系统的数据采集速率。

(3)锁相环电路模块

锁相环是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“锁相”。为了提高谐波记录装置数据采集的准确性，需要保持采集周期和信号周期严格同步，因此本装置采用了锁相环电路硬件同步采样法，以实现采集周期与外部信号周期(电压)的同步。

文章来源：《高电压技术》网址: http://www.gdyjszzs.cn/qikandaodu/2021/0710/662.html