秦德滿(mǎn)，李 勇，吳長(zhǎng)雷，丁俊超，浦 黎

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 廣東 深圳 518124）

一種高絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

秦德滿(mǎn)，李 勇，吳長(zhǎng)雷，丁俊超，浦 黎

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 廣東 深圳 518124）

絕緣電阻測(cè)試儀是電工測(cè)試的重要儀表，目前國(guó)內(nèi)的高絕緣值電阻測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)還是空白。本文提出了一款基于微電流檢測(cè)的絕緣電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。該方案將電阻的檢測(cè)范圍提升到TΩ，并且具有良好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

絕緣電阻，電流，微處理器，絕緣儀

絕緣電阻是電工測(cè)量的一個(gè)重要電氣參數(shù)，目前該參數(shù)的測(cè)量?jī)x表主要為搖表和兆歐表。該類(lèi)儀表由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用，但是量程范圍一般小于1GΩ。該類(lèi)儀表主要是測(cè)量采樣電阻上的分壓來(lái)反推被測(cè)電阻值的，采樣電阻以及前置放大器的輸入阻抗及放大倍數(shù)影響了電阻測(cè)量的量程和準(zhǔn)確性。在一些測(cè)量更高絕緣電阻的場(chǎng)合，該類(lèi)儀表無(wú)法滿(mǎn)足。文中設(shè)計(jì)一款可以在500 V時(shí)測(cè)量到1TΩ的絕緣電阻測(cè)量?jī)x表。該儀表通過(guò)測(cè)量流過(guò)被測(cè)電阻的電流來(lái)計(jì)算絕緣電阻，該方法擺脫了采樣電阻的局限，大大提升了絕緣電阻的測(cè)量范圍。電壓；EEPROM存儲(chǔ)校準(zhǔn)信息及參數(shù)信息；校準(zhǔn)電路自動(dòng)修正電流放大回路的偏差；溫濕度模塊監(jiān)視設(shè)備的溫度和濕度情況，在濕度過(guò)高和溫度過(guò)高時(shí)微處理器禁止高壓輸出；人機(jī)接口提供便利的人機(jī)操作界面。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware architecture of system

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)包括高壓模塊的設(shè)計(jì)、檢測(cè)回路的設(shè)計(jì)以及人機(jī)接口等部分；軟件設(shè)計(jì)主要包括自檢軟件、校準(zhǔn)軟件、測(cè)試軟件和濾波算法等。系統(tǒng)正常工作時(shí)軟件控制高壓模塊輸出高壓、采集高壓值和電流值并對(duì)其濾波、將濾波后的數(shù)據(jù)計(jì)算出修正后的數(shù)據(jù)、再根據(jù)伏安法計(jì)算出電阻值。

2 硬件設(shè)計(jì)

絕緣電阻測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，直流高壓電源產(chǎn)生絕緣測(cè)試所需的高壓；高壓通過(guò)被測(cè)電阻后變成電流信號(hào)；電流放大器將微弱電流放大至A/D轉(zhuǎn)換器可以采集的信號(hào)范圍；微控制器根據(jù)采集到直流高壓值和電流值計(jì)算出絕緣電阻值；A/D轉(zhuǎn)換器自身帶的電壓基準(zhǔn)為校準(zhǔn)電路提供參考

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，微控制根據(jù)人機(jī)接口的輸入信息控制高壓模塊的高壓輸出值；通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器讀取高壓的輸出值以及電流值；根據(jù)EEPROM中的修正數(shù)據(jù)對(duì)高壓值和電流值進(jìn)行修正；通過(guò)修正后的電壓值和電流值計(jì)算出絕緣電阻值。

2.1 微控制器

本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的ATMEGA64作為微處理器。該處理器為RISC結(jié)構(gòu)，具有64KB程序存儲(chǔ)器、4KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2KBEEPROM、53個(gè)IO端口并且具有豐富的外設(shè)接口。該處理器的最高運(yùn)行頻率為16 MHz，最高具有16MIPS的處理能力，可以在線編程并具有JTAG接口用于仿真。

2.2 直流高壓電源

直流高壓電源為測(cè)試電路提供高壓源。為了通過(guò)程序靈活的控制高壓電源的輸出，采用微處理器的PWM端口控制開(kāi)關(guān)管的通斷、通過(guò)A/D采集高壓電源的輸出、根據(jù)A/D采集值與設(shè)定值之間的偏差設(shè)置PWM輸出的占空比。

直流高壓電源模塊的電路圖如圖2所示，高壓模塊的供電電源為12 V、變壓器的線圈匝數(shù)比為1:250，初級(jí)線圈為4圈，次級(jí)線圈為1 000圈、PWM_HV為PWM信號(hào)的輸入端口、HV_OUTPUT為高壓輸出端口、HV_AD為高壓輸出的反饋信號(hào)，送往A/D采集。

圖2 直流高壓電源電路Fig.2 Circuit of DC high voltage power supply

微處理器的PWM的時(shí)鐘為8 MHz，計(jì)數(shù)周期為256，PWM的信號(hào)頻率為31.25 kHz。變壓器的次級(jí)線圈采用的漆包線較細(xì)，絕緣層較薄，為了防止匝間擊穿，每100圈纏繞一層聚乙烯薄膜。高壓輸出回路的器件需要選用高耐壓值的器件，器件的布局及電路的布局中盡量避免直角或者銳角，防止尖端放電，并遠(yuǎn)離容易受干擾的電路。

2.3 電流放大器

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)為500 V高壓時(shí)，可以檢測(cè)1TΩ的絕緣電阻。為此我們選用AD549作為前置電流放大器，系統(tǒng)檢測(cè)電流值低至0.5 nA。AD549為靜電計(jì)運(yùn)算放大器，具有極低的漏電流250 fA，常用于微弱電流的前置放大。

前置電流放大器的電路圖如圖3所示，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器將電流信號(hào)放大成電壓信號(hào)。電壓與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系為。三組MOSFET構(gòu)成模擬開(kāi)關(guān)，每次只選擇一個(gè)反饋電阻。不同輸入電流下MOSFET的狀態(tài)、反饋電阻以及輸出電壓的數(shù)值之間的關(guān)系如表1所示。

圖3 前置電流放大器電路Fig.3 Circuit of pre current amplifier

表1 反饋網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表Tab.1 The status table of feedback network

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換

選用24 bit的ADS1211作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。該器件具有4路差分模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，并且?guī)в?5 ppm/℃的電壓基準(zhǔn)。選用該器件的第一通道為零點(diǎn)檢測(cè)、第二通道為5 V滿(mǎn)量程電壓檢測(cè)、第三通道為高壓值檢測(cè)、第四通道為放大后的電流檢測(cè)。

2.5 校準(zhǔn)電路

校準(zhǔn)電路是一個(gè)可控的電流源，該電流源可以產(chǎn)生1 mA、10 μA、10 nA、1 nA四個(gè)電流值。該電流值恰好處于量程切換點(diǎn)，可以校準(zhǔn)高量程的零點(diǎn)和低量程的滿(mǎn)量程值。

2.6 人機(jī)接口

采用128X64液晶作為顯示界面，配有測(cè)試、背光、電壓選擇等按鍵便于操作，為了便于與其他系統(tǒng)通信還配有紅外串口。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件根據(jù)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)不同可以分為自檢程序、校準(zhǔn)軟件和測(cè)試軟件。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先執(zhí)行自檢程序，當(dāng)自檢通過(guò)后方可進(jìn)入系統(tǒng)程序，如果自檢不通過(guò)則顯示自檢錯(cuò)誤信息；在需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，運(yùn)行校準(zhǔn)程序，重新校準(zhǔn)各量程的零點(diǎn)和滿(mǎn)量程點(diǎn)；系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)執(zhí)行測(cè)試程序，主要完成高壓的輸出控制、電流的采集并計(jì)算測(cè)量出來(lái)的絕緣電阻值。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Circuit of analog to digital conversion

3.1 自檢程序

系統(tǒng)自檢時(shí)主要檢測(cè)系統(tǒng)各功能模塊的運(yùn)行情況，在相關(guān)模塊出現(xiàn)故障時(shí)顯示報(bào)警信息。主要測(cè)試內(nèi)容包括電池電壓、高壓模塊、電流測(cè)量回路、AD采樣零點(diǎn)及滿(mǎn)量程測(cè)試。單片機(jī)采樣自帶的AD端口采集電池的電壓，當(dāng)電壓低于報(bào)警值則顯示報(bào)警信息；單片機(jī)控制高壓模塊輸出20 V的電壓值，等待2 s后采集高壓的電壓值，如果電壓值正常則高壓模塊正常，否則顯示高壓模塊異常信息；單片機(jī)控制注入電流測(cè)試信號(hào)，采集放大后的電流值，如果兩個(gè)數(shù)值滿(mǎn)足誤差要求則自檢通過(guò)，否則顯示電流放大模塊異常信息；單片機(jī)控制AD模塊采集1、2通道，將采集值作為零點(diǎn)和滿(mǎn)量程的測(cè)量值。

3.2 校準(zhǔn)軟件

校準(zhǔn)軟件執(zhí)行流程如圖5所示，運(yùn)行該程序后將3個(gè)反饋電阻的零點(diǎn)和滿(mǎn)量程點(diǎn)的數(shù)值做了記錄。在得到一個(gè)測(cè)量值時(shí)就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到校準(zhǔn)后的電流值。

在小于100 nA范圍的電流時(shí)，反饋電阻為50 MΩ。測(cè)得數(shù)值，修正后的電流值單位為nA，則兩者的關(guān)系滿(mǎn)足：

在100 nA～10 μA范圍的電流時(shí)，反饋電阻為500 kΩ。測(cè)量值測(cè)得數(shù)值，修正后的電流值I2單位為nA，則兩者的關(guān)系滿(mǎn)足：

圖5 校準(zhǔn)流程圖Fig.5 Flowchart of calibration

在10 μA～1 mA范圍的電流時(shí)，反饋電阻為5 kΩ。測(cè)量值測(cè)得數(shù)值，修正后的電流值I3單位為μA，則兩者的關(guān)系滿(mǎn)足：

3.3 測(cè)試軟件及濾波算法

測(cè)試軟件主要完成絕緣電阻的測(cè)試功能。根據(jù)按鍵的設(shè)定值控制高壓輸出；同時(shí)采集高壓電壓值和電流值；將這兩個(gè)數(shù)值做濾波處理；將濾波后的電流采集值做修正，得到修正后的電流值；根據(jù)高壓的電壓值和修正后的電流值計(jì)算絕緣電阻值。

當(dāng)測(cè)量大阻值電阻時(shí)，系統(tǒng)采集到的電流信號(hào)會(huì)含有大量噪聲，有用信號(hào)甚至被噪聲所掩蓋。為了提取有用信號(hào)，必須將噪聲濾除。為此選擇卡爾曼濾波器對(duì)采集的電流和高壓值做處理；當(dāng)被測(cè)電阻阻值足夠大時(shí)，電阻會(huì)呈現(xiàn)一定的電容特性；測(cè)量時(shí)的環(huán)境濕度會(huì)影響測(cè)量值，而且測(cè)量時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果也有一定的影響。一般將測(cè)量時(shí)間選擇15 s或者60 s。

4 試驗(yàn)結(jié)果

使用該儀器在不同的環(huán)境濕度下對(duì)不同阻值的電阻進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如表2所示，可以看出測(cè)量結(jié)果一致性較好，濕度對(duì)大阻值電阻的影響比較明顯。隨著濕度的增加，電阻值會(huì)有所降低。由此可以看出該絕緣電阻測(cè)試儀表具有良好的準(zhǔn)確性和一致性。

表2 電阻測(cè)量結(jié)果表Tab.2 Results table of resistance measurement

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從提升電阻測(cè)量范圍出發(fā)，采用測(cè)量流過(guò)被測(cè)電阻的電流的方法來(lái)測(cè)量絕緣電阻，避免采樣電阻分壓的局限，大幅度提升絕緣儀表的測(cè)量量程。在500 V的測(cè)量電壓下，將電阻測(cè)量值提升到1 TΩ。并通過(guò)軟件校準(zhǔn)，提高各量程測(cè)量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該儀器具有良好的準(zhǔn)確性和一致性，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design of high insulation resistance tester

QIN De-man,LI Yong,WU Chang-lei,DING Jun-chao,PU Li
（China Nuclear Power Operations Co.Ltd，Shenzhen 518124，China）

Insulation resistance tester is an important instrument of electrical test.At present,there is no high insulation resistance instrument was well designed in our country.One design based on micro current detection was proposed in this paper.This scheme improves the resistance detection range to TΩ,and has good accuracy and real-time.

insulation resistance;current;microprocessor；insulation tester

TN98

A

1674－6236（2015）07-0039-04

2014-07-16 稿件編號(hào)：201407128

秦德滿(mǎn)(1984—)，男，廣東深圳人，工程師。研究方向：智能測(cè)量?jī)x表、微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。