黃雙成,李志偉
(河南化工職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子系,河南 鄭州450000)
對(duì)電氣設(shè)備的絕緣性能測(cè)試已經(jīng)成為電力系統(tǒng)一個(gè)分支學(xué)科,絕緣電阻的測(cè)試儀表已經(jīng)成為國(guó)家強(qiáng)制檢定的計(jì)量?jī)x表,廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中。關(guān)于絕緣電阻測(cè)試的文獻(xiàn)和科研測(cè)試成果更新很快,參考文獻(xiàn)[1-3]論述了基于高阻電橋或反饋電阻的傳統(tǒng)絕緣電阻測(cè)試方法。目前,比較先進(jìn)的方法是基于積分原理靜電設(shè)計(jì)的超高絕緣電阻測(cè)試方法[4-5]。
采用電橋調(diào)零測(cè)量法,并基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制,設(shè)計(jì)了絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)低阻范圍(20kΩ~5MΩ)和高阻范圍(5~1 275 MΩ)的分段測(cè)試,并且能夠?qū)崿F(xiàn)擋位的自動(dòng)切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測(cè)量精度能夠保證在±2.5%范圍之內(nèi),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,器件選擇價(jià)格便宜,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)及民用生活的測(cè)量需求。
絕緣電阻測(cè)量通常需要高壓直流電源作為測(cè)試電源,采用電橋調(diào)零法測(cè)量,工作原理如圖1所示。U為測(cè)試電壓,R1~R4構(gòu)成測(cè)試電橋,RX為待測(cè)電阻。
圖1 電橋調(diào)零測(cè)量原理
由圖1可知:
當(dāng)RX很大,UX很小時(shí),為了保證A/D轉(zhuǎn)換精度,需要對(duì)UX信號(hào)進(jìn)行放大。若放大器輸出為UXK,放大器的放大倍數(shù)為K,則把式(2)寫(xiě)成:
由式(3)可以看出,對(duì)RX的測(cè)量與外電壓無(wú)關(guān),當(dāng)給定放大器放大倍數(shù)K、電阻R1和R2,電橋平衡時(shí),只需測(cè)得U2和UXK,即可算出絕緣電阻的阻值RX。
系統(tǒng)主要由高壓產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。工作過(guò)程是,待檢測(cè)點(diǎn)接入檢測(cè)電橋,高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生高壓直流電壓,檢測(cè)電橋輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換后,送入單片機(jī)系統(tǒng),按照式(3),由單片機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理,完成待測(cè)電阻的測(cè)量,同時(shí)完成存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示。
圖2 系統(tǒng)框圖
絕緣電阻測(cè)量需要的高壓500V是通過(guò)PWM開(kāi)關(guān)電源控制集成電路SG3524[2],逆變成交變電壓脈沖,然后經(jīng)過(guò)脈沖變壓器升壓、整流及濾波后得到500V 直流電源[6]。
系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)寬量程(20kΩ~1 275MΩ)和自動(dòng)換擋操作。采樣和自動(dòng)換擋電路如圖3所示。自動(dòng)換擋是通過(guò)單片機(jī)控制繼電器自動(dòng)完成的,高擋輸出UXH可以測(cè)量5~1 275MΩ的電阻,低擋輸出UXK可以測(cè)量20kΩ~5MΩ的電阻。為了保證量程內(nèi)的檢測(cè)精度不低于2.5%,電路需進(jìn)行以下調(diào)整。
a.組成電橋的電阻需選用精度不低于1%。
b.調(diào)節(jié)電位器RS1,使B到地支路的總電阻為0.5(1±0.2%)MΩ。
c.調(diào)節(jié)電位器RS3,使A到地支路的總電阻為5(1±0.2%)MΩ。
電橋平衡調(diào)節(jié)方法是,短路待測(cè)點(diǎn)RX,分別接通高、低兩擋開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)RS2和RS4,使U2和UX兩端輸出端間電壓不大于0.5mV。
圖3 電橋調(diào)零法高、低擋檢測(cè)原理
為了提高測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)寬量程和量程自動(dòng)切換測(cè)量,系統(tǒng)采用ICL7650[4]放大器對(duì)UX進(jìn)行適當(dāng)放大,使被測(cè)絕緣電阻在20kΩ~1 275MΩ測(cè)量范圍內(nèi),輸出測(cè)量電壓UX由4V降到16.625mV。電路如圖4所示。
圖4 ICL7650程控放大電路原理
電路由斬波放大器ICL7650、模擬開(kāi)關(guān)4051和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開(kāi)關(guān)接單片機(jī)P1.0,P1.1,P1.2通過(guò)控制信號(hào)(由000變到111)實(shí)現(xiàn)放大器增益由20到27的8擋變化,從而使A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓控制在2~4V范圍內(nèi)(即實(shí)現(xiàn)了被測(cè)電阻在20kΩ~1 275MΩ范圍中)。
絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)的電阻測(cè)試主要使通過(guò)單片機(jī)軟件完成的。系統(tǒng)軟件采用模塊設(shè)計(jì),主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、自動(dòng)換擋模塊和顯示模塊組成。其主要流程如圖5、圖6所示。
圖5 主程序流程
圖6 自動(dòng)換擋流程
為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo),系統(tǒng)分別采用Guildline 9336系列電阻箱、X95直流電阻箱做準(zhǔn)確度和線性度測(cè)試實(shí)驗(yàn),電阻箱阻值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。
從表1看出,系統(tǒng)的精度在±2.5%的范圍內(nèi),達(dá)到設(shè)計(jì)要求;經(jīng)多次測(cè)試反復(fù)對(duì)比,系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和線性度表現(xiàn)很穩(wěn)定。
表1 電阻箱阻值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較
電橋調(diào)零絕緣電阻測(cè)試儀是一種智能測(cè)試儀,與傳統(tǒng)搖表和現(xiàn)在高精度儀表相比,量程大(20kΩ~1 275MΩ),可以根據(jù)實(shí)際情況在量程內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程,實(shí)現(xiàn)一鍵完成測(cè)量和顯示;基于STC89C52單片機(jī)控制,與ARM相比,開(kāi)發(fā)成本低,整體系統(tǒng)成本也低;實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)保存,可查閱歷史測(cè)試記錄;可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送。
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