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(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

耐壓測試是指對各種電器裝置、絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)的耐受電壓能力進行的測試[1]。由于測量方法、指標(biāo)含義等的差異，在很多情況下，人們便認為絕緣和耐壓是兩個相互無關(guān)的概念。比如對于電纜來說，隨著其長度的增加，絕緣電阻呈遞減趨勢，而耐壓強度和長度之間則并不存在明確的關(guān)系。但在正常情況下一般服從統(tǒng)計規(guī)律—電纜愈長,擊穿的概率就愈大[2]。

耐壓對絕緣的考驗嚴(yán)格，能保證絕緣具有一定的絕緣水平或裕度，但可能在測量時給絕緣造成一定的損傷。絕緣電阻測量是在較低電壓下測量絕緣的各種情況，從而判斷絕緣內(nèi)部的缺陷，但它對絕緣耐壓水平的判斷比較間接。兩類測量是相輔相成的，耐壓測試往往在絕緣測量之后進行，而如果絕緣測量已表明絕緣有不正常情況，則必須查明原因，消除不正常情況后再進行耐壓測試，以避免不應(yīng)有的擊穿。很多標(biāo)準(zhǔn)也作出明確規(guī)定，耐壓測流程為絕緣—耐壓—絕緣，且前后兩次測試絕緣電阻偏差不超過10%[3]。因此為保障耐壓測試的安全及可靠進行，在耐壓測試前必須通過絕緣測量對設(shè)備的絕緣性能進行初步測試。

耐壓測試分為交流耐壓測試和直流耐壓測試。交流耐壓試驗電壓一般比運行電壓高，因此通過交流耐壓試驗后，設(shè)備有較大的安全裕度。但當(dāng)被測產(chǎn)品為電容性負載或者含有較大的雜散電容時，無法得到被測產(chǎn)品的真實泄漏電流值，其實際輸出的電流值會比采用直流耐壓測試時的輸出電流值大很多，會增加操作人員的觸電危險性，而直流耐壓測試能真實地反映出被測產(chǎn)品實際的泄漏電流值。因此本文主要研究直流高壓下的耐壓測試和絕緣電阻測量。

在許多場合為了測量電子設(shè)備的耐壓水平及絕緣電阻，一般是用搖表來做簡單測量。但是搖表輸出的電壓與人施予手柄的轉(zhuǎn)速有關(guān)，且其指針式顯示也不夠精確[4]。后來出現(xiàn)的有電源供電的電動搖表，解決了手搖的麻煩，保證了工作電壓的穩(wěn)定。但刻度的非線性，高阻部分分辨力很差，測試誤差較大[5]，在一些對測量要求較高的場合則不能適用，更不具備自動測量的功能。本文結(jié)合Cortex-M4系列的STM32F4xx來設(shè)計耐壓絕緣測量一體化的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量結(jié)果的存儲、顯示以及與PC機的通信。使測量數(shù)據(jù)能實時上傳到上位機，并進行數(shù)據(jù)的保存、顯示及分析處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)主要完成交流220 V到可調(diào)直流高壓的設(shè)計。對電壓、電流模擬信號的采集、處理、數(shù)據(jù)的顯示以及對被測物當(dāng)前測試環(huán)境的溫度采集等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

絕緣耐壓測試系統(tǒng)主要由升壓部分、控制部分、顯示部分三大模塊組成。升壓部分通過自耦變壓器和升壓變壓器得到直流高壓；控制部分采用AD7705進行電壓、電流信號采樣、采用紅外儀溫度傳感器對當(dāng)前環(huán)境溫度進行采集，并結(jié)合報警電路、時間電路完成信號采集；顯示部分用來顯示測試結(jié)果，通過LCD液晶屏和上位機同步顯示，并進行數(shù)據(jù)的保存，方便歷史數(shù)據(jù)查詢及對于分析，從而進一步預(yù)測絕緣耐壓水平未來發(fā)展趨勢。

STM32F429內(nèi)部集成了多路AD、PWM脈寬調(diào)制、增強復(fù)用功能的I/O口等。高壓和信號采集是絕緣耐壓測試最重要的組成部分，因此本文主要對這兩部分電路設(shè)計原理進行了闡述。

1.1 高壓模塊設(shè)計

高壓產(chǎn)生電路基本原理框圖如圖2所示。

圖2 高壓模塊基本原理框圖

系統(tǒng)將輸入的220交流電通過自耦變壓器調(diào)壓，并經(jīng)過AC-DC電路轉(zhuǎn)化為直流電壓；再由驅(qū)動電路驅(qū)動反激功率變換電路，將直流電壓轉(zhuǎn)化為高頻交流方波電壓；通過高頻變壓器耦合到次級，并經(jīng)過倍壓整流濾波電路得到所需的直流高壓。將輸出的直流高壓和基準(zhǔn)電壓進行比較，通過反饋電路，控制伺服電機的正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)自耦變壓器，從而提高輸出直流高壓的精度。

通過控制IO口輸出高低電平給繼電器來控制測試電源的啟、停；絕緣耐壓測量要求輸出的直流高壓可調(diào)，可采用手動調(diào)壓器升降壓或通過控制IO口輸出高低電平控制可逆伺服電機的正、反轉(zhuǎn)，由伺服電機緩慢帶動調(diào)壓器自動升降壓，來達到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的目的，并有零電壓起動保護電路；通過控制IO口輸出脈沖方波信號的頻率控制電機的速度，來達到控制輸出電壓變化快慢的目的，從而實現(xiàn)了測試直流高壓的自動調(diào)節(jié)。

絕緣耐壓測試本身的特點決定了STM32F429要快速地得到測量結(jié)果并快速地作出反應(yīng)。為解決這一問題,采用真有效值到直流轉(zhuǎn)換器LTC1966[6]，在50 Hz～1 kHz范圍內(nèi)其總誤差不超過0.125%，線性度達0.102%，提高了測試精度。

1.2 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集電路

16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705具有很高的信噪比和測量精度，高達16位的分辨率，能滿足本系統(tǒng)要求。通過AD7705將采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸入到CPU進行數(shù)據(jù)處理。采用模擬濾波消除進入ADC之前重疊在模擬信號上的噪聲；在模-數(shù)轉(zhuǎn)換之后，采用數(shù)字濾波消除模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的噪聲。

在AD7705的調(diào)制器和數(shù)字濾波器內(nèi)部，建立有峰值儲存，可允許超出模擬輸入范圍5%[7]。模擬輸入信號范圍是(GND-30 mV)至(VDD+30 mV)之間。由于采集得到的模擬信號較小，因此將模擬信號經(jīng)過增益為K的集成運算放大電路進行信號的放大，再經(jīng)過電壓跟隨電路，使信號保持穩(wěn)定。

AD7705采用5 V供電，與MCU之間采用SPI通信方式，其片選和復(fù)位信號則直接連在MCU的普通IO口上。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路圖

2 測試流程及軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件主要包括下位機軟件和上位機數(shù)據(jù)處理分析軟件。下位機軟件采用KEIL編寫，包括主程序、通道模式選擇子程序、耐壓測試子程序、絕緣電阻測試子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序、數(shù)據(jù)通信子程序等。上位機軟件采用C#和SQL Sever軟件進行開發(fā)，主要完成人機交互、測量參數(shù)設(shè)置、測試流程控制、歷史數(shù)據(jù)保存查詢、報表打印等功能。

2.1 下位機軟件

下位機軟件主要是用來實現(xiàn)測量模式切換、數(shù)據(jù)采集及CPU和上位機之間的通信，同時下位機可接收上位機的指令信號，并根據(jù)指令控制相應(yīng)繼電器的吸合和斷開，從而實現(xiàn)絕緣測量和耐壓測量。

程序采用模塊化編程的設(shè)計思想，完成系統(tǒng)初始化，包括按鍵、系統(tǒng)時鐘、測量參數(shù)等；RS232串口通信、按鍵控制、I/O口控制、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示、測量模式選擇、測量通道選擇等各個功能模塊的軟件設(shè)計，系統(tǒng)整體軟件流程如圖4所示。軟件設(shè)計中兩個主要的功能模塊為直流耐壓測試軟件設(shè)計和絕艷電阻測試耐壓設(shè)計。

圖4 keil軟件流程圖

2.1.1 直流耐壓測量軟件設(shè)計

耐壓測量是把一個高于正常工作的電壓加在被測設(shè)備的絕緣體上[8]，在電壓未升到設(shè)定值時若泄漏電流猛增，表明設(shè)備存在絕緣缺陷或發(fā)生絕緣擊穿；當(dāng)絕緣良好時，泄漏電流和電壓之間呈線性，且泄漏電流隨輸出電壓的升高上升較小。達到設(shè)定值電壓之后,觀察一段時間(一般為1分鐘)，如果在觀察時間t1～t2內(nèi)泄漏電流保持不變，則證明試件絕緣良好，輸出測試合格信號及試件耐壓值；如果在觀察時間內(nèi)泄漏電流出現(xiàn)急劇上升，則證明試件仍然是不合格的，輸出測試信號不合格信號、擊穿電壓值及耐壓時間t2’～t1。

i=f(t)關(guān)系曲線可以用來判斷絕緣缺陷[9]。當(dāng)被測設(shè)備受潮或是有缺陷時,電流隨時間下降的比較慢,最終達到穩(wěn)態(tài)值也比較大。泄漏電流和電壓之間的關(guān)系也可用來判斷絕緣狀況，絕緣良好時，泄漏電流和電壓的關(guān)系幾乎成直線，且上升較??；緣受潮時，泄漏電流上升較大；當(dāng)絕緣有缺陷時，泄漏電流將猛增。

耐壓強度測試軟件控制流程圖如圖5所示。

圖5 耐壓強度測試流程圖

2.1.2 絕緣電阻測量軟件設(shè)計

絕緣電阻是反映絕緣性能的一個重要指標(biāo)，可以提前發(fā)現(xiàn)絕緣材料比較大的絕緣缺陷及設(shè)備局部或整體受潮、臟污以及絕緣擊穿和嚴(yán)重過熱老化等缺陷[10]。本文對絕緣電阻的測試采用雙支路法[11]，這種方法能夠消除測量電壓Es對絕緣電阻的影響，準(zhǔn)確度高。其原理圖如圖6所示。

Es為測量電源電壓；R2、R3為固定電阻；Rx為待測絕緣電阻；R1為樣電阻。圖6 電橋法原理圖

根據(jù)歐姆定律可得：

(1)

(2)

當(dāng)Rx很大時，U0很小，為保證測量精度需要對U0信號進行放大，設(shè)放大器輸出為U0k，放大倍數(shù)為k，則:

U0k=KU0

(3)

U0k接AD7705的REF(+)，Ur接AIN1(+)，由于AD7705是全差分輸入，所以將REF(-)、AINl(-)同時接地。AD轉(zhuǎn)換輸出數(shù)為：

(4)

得到：

(5)

由于Rx?R1,R2?R3，所以:

(6)

則絕緣電阻為：

(7)

由于采用的為16位的AD7705，則D=216-1=65 535，則:

5）怕受凍。大櫻桃不耐寒。幼樹莖干枝條生長發(fā)育快，組織比較疏松，冬季寒冷氣候容易使枝條失水抽干，溫度低于-20℃時，會引起大枝縱裂和流膠，造成枝條凍傷或壞死，花芽凍害。花期溫度降到-3℃以下時即受凍。

(8)

絕緣電阻Rx與AD采樣成正比，適當(dāng)選擇R1、R2、R3及增益k的值，則可使被測絕緣電阻和顯示值在數(shù)值上相符。

對于電容較大、吸收現(xiàn)象明顯的設(shè)備，可結(jié)合吸收比K=R_60/R_15和極化指數(shù)P=R_10 min/R_1 min綜合判斷。K越大表示吸收現(xiàn)象越顯著，一般認為當(dāng)K<1.3時，就可判斷絕緣可能受潮。但吸收比不能充分反映絕緣吸收現(xiàn)象的全過程，可利用極化指數(shù)P作為另一個判斷指標(biāo)。將所測絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)與出廠時的值或歷史數(shù)據(jù)等比較，或者

與同類型的設(shè)備相比較，并結(jié)合其變化綜合判斷。由于絕緣電阻和溫度密切相關(guān)，測量絕緣電阻的同時記錄被測物的溫度。

2.2 上位機軟件

為方便用戶的操作，結(jié)合C#和SQL SEVER數(shù)據(jù)庫設(shè)計了人機交互軟件，軟件的主要功能是進行用戶管理及測量數(shù)據(jù)的管理，從而完成直流耐壓測試系統(tǒng)界面設(shè)計。界面中主要包括通道選擇、測量數(shù)據(jù)顯示、測量結(jié)果分析、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)以及報表打印等。界面與下位機通過串口進行通信，可實時的將測量參數(shù)顯示在界面中，實現(xiàn)絕緣耐壓測量的實時監(jiān)控。

同時，也可在上位機界面中輸入測量的相關(guān)參數(shù)，發(fā)出指令給下位機，實現(xiàn)絕緣耐壓測量。其軟件流程圖如圖7所示。

圖7 上位機軟件流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分分別測試，并進行系統(tǒng)的整體調(diào)試。首先完成控制系統(tǒng)硬件測試，硬件測試包括控制板測試和硬件電路測試，為硬件系統(tǒng)正常運行奠定了基礎(chǔ)。軟件測試主要對控制板中各模塊的軟件測試以及系統(tǒng)整體軟件調(diào)試，檢測系統(tǒng)程序設(shè)計是否滿足系統(tǒng)要求。最后進行系統(tǒng)整體調(diào)試，系統(tǒng)整體上電后，借助上位機界面和操作臺按鍵完成調(diào)試。經(jīng)過系統(tǒng)多次運行及對被測物的測試結(jié)果表明，絕緣耐壓

4 結(jié)論

本文介紹了耐壓絕緣測試系統(tǒng)的工作原理，說明了基于STM32F429的耐壓絕緣測試系統(tǒng)的設(shè)計方法，給出了硬件原理設(shè)計框圖及下位機和上位機軟件設(shè)計流程圖。并對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進行了調(diào)試及軟硬件聯(lián)合的系統(tǒng)調(diào)試。滿足當(dāng)前耐壓絕緣阻抗測試儀的升級需求，對實現(xiàn)絕緣耐壓測量的自動化，具有一定的實用意義和推廣價值。

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