陳衛(wèi)華 楊茂祥

（第七一五研究所，杭州，310023）

在聲吶設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，電纜的絕緣與通斷測(cè)試是必經(jīng)的工序[1]?，F(xiàn)有的測(cè)試方法為：將搖表（絕緣阻抗測(cè)試儀）電壓設(shè)置為100～2500 V，人工將搖表的一條輸入線與電纜的其中一條芯線接觸，搖表另外一條輸入線與電纜的其他芯線依次接觸并測(cè)試絕緣情況（每條芯線測(cè)試需要保壓3～5 s）。由于電纜數(shù)量多，且需反復(fù)測(cè)試，以 37芯電纜為例，僅一次絕緣就需測(cè)試600余次，測(cè)試過(guò)程中不允許出現(xiàn)漏測(cè)，600余次的測(cè)試大約需要2 h。由于測(cè)試次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試過(guò)程極易出現(xiàn)不可控原因打斷測(cè)試，或由于長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)單一工作而導(dǎo)致漏測(cè)。每次出現(xiàn)漏測(cè)都需要重新進(jìn)行測(cè)試工作，耗時(shí)長(zhǎng)；假設(shè)出現(xiàn)漏測(cè)但未重新測(cè)試，則將對(duì)整個(gè)聲吶設(shè)備生產(chǎn)合格率造成影響。為提高測(cè)試效率、降低測(cè)試出錯(cuò)率和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)了一種基于繼電器矩陣卡的多通道電纜絕緣測(cè)試設(shè)備。

1 工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

為完成電纜芯線間絕緣測(cè)試的自動(dòng)化，本設(shè)備需要有以下功能：（1）最大可測(cè)試電纜芯線數(shù)目為50芯；（2）絕緣最高電壓2500 V；（3）絕緣測(cè)試電壓可從0～2500 V自由調(diào)整；（4）測(cè)試軟件可自主設(shè)計(jì)測(cè)試過(guò)程，并保存測(cè)試結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備由工控機(jī)、高壓隔離切換模塊、輸入板卡、絕緣電阻測(cè)試儀、系統(tǒng)顯示器、繼電器矩陣卡、轉(zhuǎn)接工裝等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。測(cè)試設(shè)備除繼電器矩陣單元因有特殊要求，暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)板卡可選用，其他部分都選用了標(biāo)準(zhǔn)板卡，降低了研發(fā)成本，提高了設(shè)備可靠性。絕緣阻抗測(cè)試儀為絕緣測(cè)試過(guò)程的核心測(cè)試儀器，選用SE-7430安規(guī)分析儀。該儀器的兩條輸入線通過(guò)高壓繼電器矩陣卡與被測(cè)電纜芯線連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜的芯線間的絕緣測(cè)試；數(shù)據(jù)輸出端口通過(guò)RS232接口與工控機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的輸出。轉(zhuǎn)接工裝主要用于被測(cè)電纜與儀器的快速對(duì)接。轉(zhuǎn)接工裝上集成了與常用電纜連接器對(duì)接的插頭或插座，對(duì)應(yīng)電纜測(cè)試時(shí)只需要將連接器插在本轉(zhuǎn)接工裝上。如有新增連接器類型，可將本轉(zhuǎn)接工裝拆下，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接工裝與連接器連接，以實(shí)現(xiàn)同類型電纜與測(cè)試設(shè)備的快速對(duì)接。

圖1 多通道電纜絕緣測(cè)試設(shè)備組成框圖

1.3 系統(tǒng)測(cè)試方式

采用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電纜芯線間絕緣進(jìn)行測(cè)試，如仍模仿人工采用一對(duì)一的方式進(jìn)行測(cè)試，則測(cè)試時(shí)間仍然較長(zhǎng)，分析過(guò)程如下。

設(shè)電纜芯線數(shù)為N，則按照上述測(cè)試方式需要測(cè)試次數(shù) T=N×(N-1)/2，當(dāng) N=50時(shí)，T=1225，由于絕緣測(cè)試需要保壓3～5 s，則對(duì)于50芯電纜而言，每次測(cè)試時(shí)間需近 3 h。由于多芯線數(shù)的電纜測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且電纜絕緣不合格本是小概率事件，所以本儀器測(cè)試時(shí)采用一對(duì)多的測(cè)試方式，即將多條芯線短接后測(cè)試其相對(duì)某一根芯線的絕緣。但由于此方式類似于將多條芯線并聯(lián)，芯線數(shù)目越多，短接后與對(duì)應(yīng)芯線的絕緣阻值越小，越容易使得測(cè)試結(jié)果失真，因此，在測(cè)試次數(shù)最少的情況下需盡量將短接芯線的數(shù)量最小化。最終設(shè)計(jì)測(cè)試方式為：

對(duì)于第i根芯線，一次性測(cè)試其相對(duì)其余(N-1)/2根芯線的絕緣，具體為第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2，當(dāng)ik>N時(shí)，ik=ik-N。當(dāng)絕緣值不合格時(shí)，再對(duì)第i根芯線分別與第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2根芯線的測(cè)試[2]。

這樣，在絕緣合格的情況下，總測(cè)試次數(shù)為N-1次。效率相較直接自動(dòng)化測(cè)試提高了(N-1)/2倍，假設(shè)N=50，效率提高了近 50倍。當(dāng)絕緣不合格時(shí)，效率提高倍數(shù)減小，只有在極端情況下，才與人工一對(duì)一的測(cè)試方式效率相近。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路

圖2為本設(shè)備的主電路圖，主線路為220 V交流電源，依次給24 V開(kāi)關(guān)電源、工控機(jī)、高壓源（絕緣測(cè)試儀）、5 V開(kāi)關(guān)電源供電，其中5 V開(kāi)關(guān)電源用于給隔離控制卡與輸入信號(hào)卡供電。

圖2 主電路圖

2.2 高壓切換電路

圖3為高壓繼電器矩陣卡電路圖，HV+IN、HV-IN分別為絕緣測(cè)試儀的兩條高壓正負(fù)極輸入線，每一個(gè) HV OUT點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)接工裝最終連接到線纜的芯線上。每一個(gè)HV OUT通過(guò)兩組高壓繼電器控制，一端控制接入HV+ IN，一端控制接入HV-IN。另外 HV+IN、HV-IN由繼電器控制是否與高壓繼電器矩陣卡接通，另有繼電器控制 5V-的電源是否接入矩陣卡。當(dāng)絕緣測(cè)試時(shí)，需要接通 HV+IN與HV-IN而斷開(kāi)5V-，當(dāng)通斷測(cè)試時(shí)，需要斷開(kāi)HV+IN與HV-IN而接通5V-。

圖3 高壓繼電器矩陣卡電路圖

2.3 隔離控制電路

圖4為隔離控制電路，其中PC為上位機(jī)，發(fā)送命令控制繼電器的開(kāi)閉。高壓繼電器矩陣卡中的繼電器的線圈與隔離控制卡的繼電器串接，從而通過(guò)隔離控制卡的繼電器控制高壓繼電器矩陣卡中的繼電器的開(kāi)閉。

圖4 隔離控制電路

2.4 通斷測(cè)試電路

圖5為輸入信號(hào)卡電路，該信號(hào)卡用于電纜的通斷測(cè)試。圖中的HV OUT為接電纜芯線的非絕緣測(cè)試端。測(cè)試時(shí)，需要斷開(kāi)圖3中HV+ IN與HV-IN而接通5 V-。此時(shí)電纜芯線與輸入信號(hào)卡的繼電器線圈串入5 V電壓的回路，當(dāng)該芯線接通時(shí)，輸入信號(hào)卡的繼電器閉合，反饋信號(hào)給輸入信號(hào)卡控制端，進(jìn)而將測(cè)試結(jié)果通過(guò)通訊線反饋給上位機(jī)。上述通斷測(cè)試方法為同步測(cè)試，在設(shè)備允許的情況下，測(cè)試時(shí)間與電纜芯線數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，大大提高了通斷的測(cè)試效率。

圖5 輸入信號(hào)卡電路

3 設(shè)備使用與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試流程

設(shè)備測(cè)試時(shí)，首先需要將電纜的兩端對(duì)接在設(shè)備轉(zhuǎn)接工裝上。啟動(dòng)設(shè)備，運(yùn)行測(cè)試軟件，首先是自檢功能，以保證設(shè)備運(yùn)行正常，之后啟動(dòng)測(cè)試。當(dāng)測(cè)試結(jié)束后，所有測(cè)試數(shù)據(jù)保存在測(cè)試報(bào)表中，并于軟件中顯示電纜絕緣與通斷是否合格，如不合格，設(shè)備報(bào)警并顯示出具體不合格絕緣或不合格通斷芯線。軟件測(cè)試流程如圖6所示。

圖6 軟件測(cè)試流程

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)備是否可行并判斷測(cè)量結(jié)果誤差是否滿足要求，我們進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組判斷是否可行，另外一組確定測(cè)量誤差。

第一組實(shí)驗(yàn)，按照設(shè)備正常操作進(jìn)行測(cè)試，選擇性將某些芯線短接測(cè)試絕緣，某些芯線斷開(kāi)測(cè)試通斷。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)備可按照上述流程測(cè)試并在報(bào)表中正確顯示絕緣測(cè)試時(shí)短接的芯線及通斷測(cè)試時(shí)斷開(kāi)的芯線。

第二組實(shí)驗(yàn)，將特定高阻值電阻接入設(shè)備中，通過(guò)設(shè)置軟件依次測(cè)量不同阻值的電阻，記錄測(cè)試結(jié)果，然后使用手動(dòng)絕緣測(cè)試儀測(cè)量電阻阻值，并記錄測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1[3]。測(cè)試誤差為本設(shè)備測(cè)量值相對(duì)手動(dòng)絕緣測(cè)試儀測(cè)量值的誤差。通過(guò)分析表1數(shù)據(jù)可以得出，測(cè)試誤差基本控制在1%以內(nèi)。因此，若要準(zhǔn)確檢測(cè)出不合格品，可將電纜的要求絕緣值提高 1%以上。而實(shí)際測(cè)量時(shí)，線纜的絕緣值一般都為要求絕緣值的數(shù)倍甚至儀器測(cè)量范圍之外，因此本設(shè)備的測(cè)量誤差基本可忽略不計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果 MΩ

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種多通道電纜絕緣自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，主要利用矩陣卡技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)絕緣測(cè)試設(shè)備完成自動(dòng)化測(cè)試，提高了測(cè)試效率并降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。本文擴(kuò)展了矩陣卡在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)其他產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)具有借鑒意義。