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新型一体式电气设备绝缘强度实验平台的设计(3)

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锁相环模块电路如图7 所示，该电路主要由锁相环集成电路芯片74HC4046、14 进制二进制串行计数器74HC4060 加运放LM358 和施密特触发器CD 组成。

图7 锁相环电路

外部参考信号电压，首先经过电压互感器和运放OP07 进行信号转换，再经过运放LM358 进行信号放大和比较输出方波作为锁相环芯片的信号输入端。同时将锁相环的输出端信号经过二进制串行计数器进行12 倍频之后作为锁相环的信号比较端输入。锁相环将输入信号和比较信号进行比较，得到误差信号通过低通滤波器后得到压控振荡器的控制信号。最后将输出的信号通过斯密特触发器CD 输出信号，作为STM32 的中断输入信号。

(4)电源管理电路模块

本实验操作台中的电源，会用到正负12V、正5V 和正3.3V。其中正负12V 电压取自开关电源，用于给运放OP07、LM358 和TL082 供电;正5V 电压同样由开关电源提供，用于给数模转换芯片AD7607 供电;正3. 3V 电压开关电源不能直接提供，因此采用LM1117-3. 3 进行电压转换，用于给STM32 和时钟芯片等供电;正5V 模拟电压则由正12V 经过L7805CV 进行转换而得到。电源模块中的电解电容和无极性电容则用来进行滤波，以提高电压的质量，增加系统的供电稳定性。

(5)电机拖动调压/调球隙电路模块

本设计采用步进电机拖动调压/调球隙的方式实现电压/球隙调节，即通过面板上的升/降压、升/降球隙按键发送指令给处理器，处理器根据不同的指令控制电机正反转来调节对象的升高与降低。调压器与步进电机采用一体式安装，同轴度好，机械连接可靠。加电压导致测量球隙击穿时，耐压回路电流急剧增大，实验操作台通过步进电机自动降低电压至0V。

2.2.2 实验操作台软件设计

在系统上电之后，先对系统各个模块进行初始化，如配置系统时钟，配置GPIO 端口，配置串口波特率、位数等，配置SPI 口传输模式、波特率等，配置外部中断和中断分组，配置AD 数据采集方式。

在系统完成初始化后，使系统处于等待的状态，待外部按键发出调节电压/球隙的触发信号后，系统转入电机拖动调压/调球隙的程序执行。同时，电压信号经锁相环后实现12 倍频，输入到STM32 的端口，信号的上升沿触发中断;当系统进入中断程序后，开始对电量进行采样、转换，并将电量值显示在液晶上。此时，若所加显示电压需校准，可利用液晶菜单中的校准选项对电压进行校准，以此保证测量精度。当施加的电压导致测量球隙击穿后，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，并通过步进电机自动降低电压至0V。系统的主程序流程图如图8 所示。

3 电气设备绝缘强度实验结果

3.1 交直流耐压实验结果

利用本文所设计的电气设备绝缘强度实验系统，进行交直流耐压实验，实验结果如图9 所示。

3.2 雷电冲击耐压实验结果

利用本文设计的雷电冲击电压实验系统，选择波头电阻600Ω，波尾电阻465Ω，示波器扫描时基25μs，实测雷电冲击全波如图10 所示。

通过本系统进行的雷电冲击高电压击穿的实验对比图10 和图11 可见，本系统可以真实、准确地进行雷电冲击电压实验。结果如图12 与图13 所示。其中，图12 为实测雷电冲击导致测量球隙击穿后截波波形，图13 为50%雷电冲击高电压击穿的实验结果。

图8 主程序流程图

图9 交直流耐压实验结果

图10 实测雷电冲击电压全波波形

图11 仿真雷电冲击电压全波波形

图12 实测雷电冲击电压截波波形

为了验证本实验系统的可靠性，相同参数构成的Matlab 仿真结果如图11 所示。

图13 50%雷电冲击高电压击穿曲线

4 结语

本文在充分考虑“电气设备绝缘强度实验”教学目的的基础上，设计、研制了一体式电气设备绝缘强度实验平台。实验平台的耐压主回路采用设备封装化的“积木拼搭”式结构，并采用基于ARM 的实验操作台。与传统的耐压实验平台相比，本系统具有安全可靠、通用性强、操作简单、实验成本低廉及拓展性好等优点，非常适合高校电气专业实验教学。同时，本系统还可以为科研工作提供有力的电气设备绝缘强度试验平台。

[1] 郭颖奇，冉立，廖勇.高电压实验教学安全措施的研究与探讨[J].实验室科学，2017，20(1):212-216.

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