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）

0 引言

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。

1 絕緣電阻電橋調(diào)零測(cè)量法工作原理

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。

2 系統(tǒng)組成及其功能

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

2.1 高壓產(chǎn)生電路及設(shè)計(jì)

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］。

2.2 采樣及自動(dòng)換擋電路設(shè)計(jì)

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

2.3 程控放大電路設(shè)計(jì)

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）。

2.4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

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

4 結(jié)束語(yǔ)

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。

［1］ 李志得.一種智能絕緣電阻測(cè)試儀設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2011，48（545）：63－67.

［2］ 趙振業(yè)，郭法樓，段光按.高阻測(cè)量?jī)x［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2000，14（3）：60－63.

［3］ Shao H M，Liang B，Dai K N，et al.High resistance measurement at nim［A］.Proc.of Conference on Precision Electromagnetic Measurements［C］.Sydney，Australia，2000.297－298.

［4］ Fletcher N E，Gibilin S P，Williams J M，et al.New capability for generating and measuring small DC currents at NPL［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56（2）：326－330.

［5］ Tsao S H.Apparatus for accurate DC capacitance－resistance transfer［J］.IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，1974，23（4）：310－314.

［6］ 翟月華，胡恩華，畢白偉.一種新型智能絕緣測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鐵道通信信號(hào)，2007，43（2）：16－17.