0 引言

    耐壓是智能電能表能否長期正確工作的一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。電能表在運(yùn)行中，絕緣長期受電場、溫度和機(jī)械振動(dòng)的作用會(huì)逐漸發(fā)生劣化，其中包括整體劣化和部分劣化，形成缺陷。交流耐壓試驗(yàn)是鑒定電力設(shè)備絕緣強(qiáng)度最有效和最直接的方法，是預(yù)防性試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。此外，由于交流耐壓試驗(yàn)電壓一般比運(yùn)行電壓高，因此通過試驗(yàn)后，設(shè)備有較大的安全裕度，交流耐壓試驗(yàn)是保證電力設(shè)備安全運(yùn)行的一種重要手段。在Q/GDW1364-2013《單相智能表技術(shù)規(guī)范》中對交流電壓試驗(yàn)提出了以下要求：在試驗(yàn)中，儀表不應(yīng)出現(xiàn)閃絡(luò)、破壞性放電或擊穿。試驗(yàn)后，儀表應(yīng)無機(jī)械損壞，并能正確工作，為保證現(xiàn)場測試工作能準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行，交流耐壓核查裝置顯得尤為重要^[1-2]。

    耐壓已成為電力公司對電能表性能檢測的強(qiáng)檢項(xiàng)目之一，故對交流耐壓儀的準(zhǔn)確度提出了更高的要求，目前國際和國內(nèi)還沒有準(zhǔn)確測試耐壓儀的測量器具，本文按照要求設(shè)計(jì)了一種高精度的交流耐壓核查裝置，能夠準(zhǔn)確地記錄耐壓儀的電壓、耐壓持續(xù)時(shí)間等事件。

1 核查裝置總體設(shè)計(jì)方案

    圖1所示為耐壓核查裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖，核查裝置以FM3308為核心控制器，工作頻率8 MHz，芯片具有8 bit TURBO 51MCU核、大容量程序存儲(chǔ)器和RAM，集成LCD、UARTS、7816協(xié)議等多種功能，工作電壓范圍為2.5 V～5.5 V，具有LCD在線調(diào)試功能及LCD驅(qū)動(dòng)電路，3路UART均支持紅外調(diào)試輸出和接收信號捕捉功能，I2C接口方便與串行存儲(chǔ)器接口，13通道12 bit ADC，其中：1路接溫度傳感器輸出，2路監(jiān)測LCD電壓，8路接外部模擬輸入，2路預(yù)留通道。系統(tǒng)工作時(shí)耐壓儀上的高壓通過電阻采樣電路輸入到RN8209G，F(xiàn)M3308通過SPI接口與RN8209G進(jìn)行通信，試驗(yàn)過程中耐壓值通過液晶顯示，數(shù)據(jù)通過存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C256A進(jìn)行存儲(chǔ)，事件記錄包括耐壓過程中最高電壓值，耐壓持續(xù)時(shí)間等。當(dāng)CPU處于低功耗狀態(tài)時(shí)，可通過紅外喚醒測試裝置，讀取測試記錄和時(shí)間等，也可以按鍵喚醒核查裝置，進(jìn)行上下翻屏顯示^[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    耐壓核查裝置硬件電路根據(jù)功能主要分為電源電路、電壓取樣電路、計(jì)量電路、紅外通信電路。

2.1 電源電路

    核查裝置測試時(shí)不需要外部供電，由電池進(jìn)行供電，電池采用武漢力興的CR-P2電池，電池電壓為6 V，芯片輸入電壓由電池提供，本文使用線性穩(wěn)壓電源芯片RP130N501D，芯片具有反應(yīng)速度快、輸出紋波小、工作產(chǎn)生的噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，芯片輸出電壓為5 V，為了提升輸出電壓，在芯片地引腳加上一個(gè)反向二極管M7，如圖2所示。核查裝置在低功耗設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了考慮，電池容量為1 500 mAh，耐壓測試時(shí)啟動(dòng)電池，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉電池，電池功耗大約為6 mA，可做1萬次左右耐壓測試。

2.2 電壓取樣電路

    針對現(xiàn)場檢表項(xiàng)目，交流耐壓最大為4 000 V，本文在取樣電路中采用了67個(gè)300 kΩ電阻，選擇多個(gè)電阻串聯(lián)，一是電阻具有溫漂，二是電阻能夠分壓，所選電阻精度為25 ppm。

    高壓信號為1 000 V時(shí)，取樣電壓為：

    可見取樣電壓范圍都在0 V～1 V內(nèi)。取樣電壓通過V3P、V3N引腳輸入到計(jì)量芯片RN8209G中，V3P、V3N為電壓通道的正、負(fù)模擬輸入引腳，采用完全差分輸入方式，如圖3所示。

2.3 計(jì)量控制電路

    如圖4所示，RN8209G為單相多功能防竊電專用計(jì)量芯片，RN8209G集成了三路二階Σ-ΔADC，RN8209G能夠測量有功功率、電壓有效值、線頻率、過零中斷等，RN8209G支持全數(shù)字的增益、相位和offset校正。有功電能脈沖從PF管腳輸出，用戶自定義電能脈沖頻率從QF引腳輸出。RN8209G提供兩個(gè)串行接口SPI和UART，方便與外部MCU之間進(jìn)行通信。RN8209G內(nèi)部的電源監(jiān)控電路可以保證上電和斷電時(shí)芯片的可靠工作^[3]。

2.4 紅外通信電路

    紅外發(fā)送電路如圖5所示，由三極管V25、電阻R66、電阻R67和發(fā)送管V26組成，經(jīng)調(diào)試后的紅外信號由單片機(jī)引腳18輸出。發(fā)送高電平時(shí)，截止，無信號輸出。發(fā)送低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，紅外發(fā)送管導(dǎo)通，發(fā)射信號。

    紅外接收電路如圖6所示，最高輸出低電平為0.5 V，最低輸出低電平為0 V。最高輸出高電平為5 V，最低輸出高電平為4.5 V。工作電壓為2.7 V～5.5 V，工作電流為0.3 mA～0.6 mA。通信距離20 m(水平)，紅外接收用V24表示，R63為限流電阻，C49為去耦電容，C50為濾波電容。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    采用C語言進(jìn)行程序編寫，軟件設(shè)計(jì)思路是將各個(gè)功能模塊化，包括主程序模塊、顯示模塊、通信模塊等。測試主程序的軟件流程圖如圖7所示，耐壓核查裝置對耐壓儀進(jìn)行測試，在對高壓事件判斷時(shí)，大于1 000 V時(shí)認(rèn)為進(jìn)入高壓事件，低于1 000 V時(shí)認(rèn)為高壓事件結(jié)束。用整點(diǎn)凍結(jié)來存儲(chǔ)高壓事件，軟件設(shè)置能夠存儲(chǔ)10次高壓事件。

    本文利用RN8209G提供的電壓有效值offset校正手段，對耐壓核查裝置進(jìn)行校正。在校表過程中，利用電壓有效值折算公式計(jì)算電壓有效值，公式如下：

    其中，U_t為從電壓有效值寄存器中獲得的電壓有效值二進(jìn)制數(shù)，R_T為電壓通道電阻串的總電阻值，R_us為電壓取樣的分壓電阻阻值，λ_PGA為通道的增益系數(shù)。

    校表流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和測試結(jié)果分析

    校表源采用NST-3500標(biāo)準(zhǔn)功率源，耐壓核查裝置經(jīng)過校表后，抽取15臺(tái)記錄耐壓數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本文設(shè)計(jì)的耐壓核查裝置計(jì)量準(zhǔn)確，精度高，達(dá)到萬分之一以下，確保了檢表過程中耐壓試驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

    本文結(jié)合電力公司現(xiàn)場檢表的要求，設(shè)計(jì)了一種新型的耐壓核查裝置，該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：測量電壓范圍寬，測量精度高；試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過存儲(chǔ)器用事件記錄下來，事件包含試驗(yàn)時(shí)的時(shí)間、最大電壓值、持續(xù)時(shí)間；裝置設(shè)計(jì)簡單、輕便，采用電池供電，功耗小，有較好的市場前景。

參考文獻(xiàn)

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