袁開(kāi)鴻，陳新喜，魏麗君

(1．中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙　410083； 2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲　412001)

0　引言

隨著國(guó)內(nèi)電力工業(yè)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備預(yù)防性實(shí)驗(yàn)是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和維護(hù)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。絕緣診斷是檢測(cè)電氣設(shè)備絕緣缺陷或故障的重要手段。絕緣電阻測(cè)試儀(兆歐表)是測(cè)量絕緣電阻的專用儀表。1990年5月批準(zhǔn)實(shí)施的JJG662-89《絕緣電阻表(兆歐表)》已把它作為強(qiáng)制檢定的儀表之一。目前，電氣設(shè)備(如變壓器、發(fā)電機(jī)等)朝著大容量化、高電壓化、結(jié)構(gòu)多樣化及密封化的趨勢(shì)發(fā)展。

因此，絕緣電阻測(cè)試儀本身應(yīng)具有容量大、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量指標(biāo)多樣化、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單并迅速、便于攜帶等特點(diǎn)[1-2]。

文中設(shè)計(jì)的絕緣電阻測(cè)試儀采用STM32作為主控芯片，高電壓的產(chǎn)生則通過(guò)直流逆變成交流、然后升壓到高壓、再整為高壓直流，測(cè)量時(shí)利用運(yùn)放ICL7135A/D轉(zhuǎn)換芯片采集實(shí)時(shí)的電壓信號(hào)，然后由STM32處理后輸出液晶觸摸屏顯示。

1　系統(tǒng)硬件框圖及原理

硬件系統(tǒng)通過(guò)集成器件555接成的基本無(wú)穩(wěn)態(tài)振蕩模式，構(gòu)成高頻多諧振蕩器，振蕩頻率f約為15 kHz左右，產(chǎn)生的交變電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓，在通過(guò)整流倍壓得到上千伏的直流壓電，輸出電壓穩(wěn)定，平滑，功率大，通過(guò)高精密電阻對(duì)高壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)采集電網(wǎng)送往ICL7135AD輸入端，對(duì)電壓的采樣。將轉(zhuǎn)化的AD值送于STM32。通過(guò)軟件的處理計(jì)算出電壓值。取樣電路由于程序的控制，自動(dòng)選擇不同的檔位，經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行處理，計(jì)算出所發(fā)生高壓的電壓值和被測(cè)端的絕緣電阻值[3-5]，通過(guò)液晶觸摸屏顯示。總體硬件框圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：直流電源(電池)，通過(guò)電源管理芯片得到所需要的不同電壓。通過(guò)555振蕩電路和升壓變壓器，把5 V直流電逆變?yōu)?5 kHz的交流電，在通過(guò)整流倍壓得到上千伏的高壓電，作為高壓發(fā)生電路。使用ICL7135采集取樣送往STM32處理器進(jìn)行處理。

圖1　系統(tǒng)總體硬件框圖

2　電源模塊的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路由12 V鋰電池供電，通過(guò)TL1076電源管理芯片把單電源轉(zhuǎn)換為雙電源，并且輸出正負(fù)9 V電壓，在經(jīng)過(guò)三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出正負(fù)5 V電壓[6-8]。其電路原理圖如圖2所示。

圖2　電源模塊原理圖

將5 V直流電源經(jīng)集成器件555和電阻R1及R2與電容C1接成的基本無(wú)穩(wěn)態(tài)振蕩模式，構(gòu)成高頻多諧振蕩器，振蕩頻率f=1.44/[(R1+R2)C1]，約為15 kHz左右，產(chǎn)生的交變電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓，次極的感應(yīng)電壓經(jīng)倍頻整流、濾波后，可得到約1 000 V的直流電壓作為測(cè)量用電壓[8-10]。其電路原理圖如圖3所示。

圖3　高壓產(chǎn)生模塊原理圖

3　信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

取樣電路的作用是取得與測(cè)量值相關(guān)的電信號(hào)，用以計(jì)算、控制和顯示。被測(cè)量的具體要求決定了取樣電路具體形式。該設(shè)計(jì)采用ICL7135進(jìn)行采樣，其原理圖如圖4所示。

圖4　采樣電路原理圖

圖4中：Rx為被測(cè)絕緣電阻；R3為量程調(diào)節(jié)電阻；R1、R2為取樣分壓電阻。U為直流高壓產(chǎn)生電路提供的測(cè)量電壓，經(jīng)R1及R2分壓后(U2)加在7135的IN-，經(jīng)Rx、R3分壓后(U3)加在ICL7135的Cref-。

根據(jù)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，轉(zhuǎn)換結(jié)果由式(1)得到。

(1)

式中：常數(shù)10 000由lCL7135的正向積分固定時(shí)間T1=10 000TCP決定；TCP為時(shí)鐘脈沖周期；10 000即為正向積分階段的時(shí)鐘脈沖數(shù)；VIN為Vin+與Vin-之間的電勢(shì)差，在該設(shè)計(jì)中VI+接ANALOG COM，因此VIN=Vin+-Vin-=-U2。

VREF在標(biāo)準(zhǔn)工作模式情況下為Cref+與Crdf-之間所接電容在自動(dòng)調(diào)零階段充電所獲得的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。在設(shè)計(jì)中Cref+與Cref-之間不再接電容，將Cref+接ANALOG COM，同時(shí)將Cref-與ANALOG COM間電壓鉗制為U3，Cref+與Cref-之間電壓為-U3。因此式(1)可表示為

(2)

由于ICL7135的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓值VREF=1 V，而加在Rx與R3上的測(cè)量用電壓為1 000 V，所以Rx遠(yuǎn)大于R3，使得U3≤2 V．由于ICL7135VIN-上允許加的最大電壓值為0.8 V，而加在R1與R2上的測(cè)量用電壓為1 000 V，所以R1與R2取值應(yīng)滿足R1遠(yuǎn)大于R2、U2≤0.8 V．

式(2)可進(jìn)一步表示為：

(3)

由式(3)有：

(4)

可見(jiàn)，當(dāng)R1、R2、R3取定時(shí)，Rx值與測(cè)量電壓U無(wú)關(guān)，故能消除電壓U變化對(duì)結(jié)果的影響。其設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

4　抗噪處理模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

第一級(jí)采用積分與濾波電路以及精密整流電路，如圖6所示。

此時(shí)其放大倍數(shù)可表示為：

圖5　采樣電路設(shè)計(jì)圖

(7)

線性平均值與濾波電路如圖7所示。兩級(jí)電路的中心頻率均為1.52 Hz，選頻特性良好。品質(zhì)因素分別為：0.54與1.31。所以電路總的品質(zhì)因素為0.707。電路具有最佳的平坦特性，抗干擾能力強(qiáng)。

5　測(cè)試試驗(yàn)與結(jié)論

設(shè)計(jì)的絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)實(shí)際測(cè)量電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)測(cè)試，其輸出電壓等級(jí)、測(cè)量范圍、測(cè)試精度如表2所示。

圖6　積分與濾波電路和精密整流電路圖

圖7　線性平均值與濾波電路

表1　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

表2　儀器測(cè)量參數(shù)表

經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以得到儀器的技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍：0～19 999 MΩ；分辨率：0.1 MΩ，1.0 MΩ，10.0 MΩ；相對(duì)誤差：≤±4%±1 d．

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