電氣安全性能測(cè)試耐壓測(cè)試系統(tǒng)研究

電氣安全性能測(cè)試耐壓測(cè)試系統(tǒng)研究

    摘 要：為了配合儀器設(shè)備電氣安全性能檢測(cè)新國(guó)標(biāo)的制定和實(shí)施，設(shè)計(jì)了符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)的耐壓測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)包括程控電源、測(cè)試回路、信號(hào)采集、 調(diào)理電路和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集接口電路等部分。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)試精度高。在0~20mA的測(cè)試范圍內(nèi)，測(cè)試精度達(dá)到± （1.5%mA±0.05mA）。
    一、引言
     電氣安全性能參數(shù)是國(guó)家強(qiáng)制性認(rèn)證的指標(biāo)之一，也是反映電子產(chǎn)品和設(shè)備安全性能重要的參數(shù)。2001年，IEC1010標(biāo)準(zhǔn)——《測(cè)量、控制及試驗(yàn)室用電 氣設(shè)備的安全》重新修訂為IEC61010。為了更好地與接軌，我國(guó)將要重新制訂符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)的新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。電氣安全主要測(cè)試指標(biāo)包括交 /直流耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等。交/直流耐壓試驗(yàn)用于檢驗(yàn)產(chǎn)品在實(shí)際工作狀態(tài)下的電氣安全性能，是檢驗(yàn)設(shè)備電氣安全性能的重要指標(biāo)之一。目 前市場(chǎng)上所見的耐壓測(cè)試儀采用GB4706（等同IEC1010）標(biāo)準(zhǔn)，使用較多的是臺(tái)式結(jié)構(gòu)的單項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)測(cè)試儀器，不能滿足用戶需要多指標(biāo)綜合測(cè)試的 需求；而且目前市場(chǎng)上的耐壓測(cè)試儀多采用的是傳統(tǒng)的測(cè)試方法，測(cè)試精度不高，采用的技術(shù)和主要性能指標(biāo)與*水平有一定的差距，不能*目前發(fā)展 的電氣安全性能測(cè)試工作的需要。因此研究符合標(biāo)準(zhǔn)的采用先進(jìn)技術(shù)和具有更好性能指標(biāo)的耐壓測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。
     二、耐壓測(cè)試的原理　
     耐壓測(cè)試是指對(duì)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(jìn)行的測(cè)試。在不破壞絕緣材料性能的情況下，對(duì)絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)施加高電壓的過程稱為耐 壓試驗(yàn)。一般來講，耐壓測(cè)試主要目的是檢查絕緣耐受工作電壓或過電壓的能力，進(jìn)而檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)備的絕緣性能是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。　 耐壓測(cè)試的基本原理：把一個(gè)高于正常工作的電壓加在被測(cè)設(shè)備的絕緣體上，并持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會(huì)產(chǎn)生很小的 漏電流。如果一個(gè)被測(cè)設(shè)備絕緣體在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，其漏電電流保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以確定這個(gè)被測(cè)設(shè)備可以在正常的運(yùn)行條件下安全運(yùn)行。進(jìn)行耐壓測(cè)試時(shí) （如圖1），技術(shù)規(guī)格不同被測(cè)試品，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)也就不同。對(duì)一般被測(cè)設(shè)備，耐壓測(cè)試是測(cè)量火線與機(jī)殼之間的漏電流值，基本規(guī)定是：以兩倍于被測(cè)物的工作電壓 再加1000V作為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)電壓。部分產(chǎn)品的測(cè)試電壓可能高于這一規(guī)定值。按照IEC61010的規(guī)定，測(cè)試電壓必須在5s內(nèi)逐漸地上升到所要求的試驗(yàn) 電壓值（例如5kV等），保證試驗(yàn)電壓值穩(wěn)定加在被測(cè)絕緣體上不少于5s，此時(shí)所測(cè)回路的漏電流值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏電流閾值相比較，就可以判斷被測(cè)產(chǎn)品的 絕緣性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)束后，試驗(yàn)電壓必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)逐漸地降至零[1]。
     三、耐壓測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
     測(cè)試系統(tǒng)有三大模塊：程控電源模塊、信號(hào)采集調(diào)理模塊和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
     程控電源模塊由輸出位0V~140V的程控電源和高壓變壓器構(gòu)成，在單片機(jī)ADCm842控制下程控電源輸出電壓經(jīng)變壓器升壓可以得到設(shè)定的輸出電壓值。
     信號(hào)采集調(diào)理模塊包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和過電流保護(hù)電路，測(cè)試回路漏電流通過傳感器進(jìn)入信號(hào)采集和調(diào)理電路，在信號(hào)采集和調(diào)理電路中對(duì)漏電流信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換變成滿足A/D輸入范圍的電壓信號(hào)。過流保護(hù)電路在試品或電路故障時(shí)啟動(dòng)。 　
     單片機(jī)ADCm842和計(jì)算機(jī)構(gòu)成PC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),控制測(cè)試過程電壓升降、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理和分析。
     1、信號(hào)采集和調(diào)理模塊設(shè)計(jì)　 耐壓測(cè)試需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)是：變壓器輸出高電壓的值和測(cè)試回路的漏電流值。測(cè)試系統(tǒng)中所使用的升壓變壓器二　次繞組有0~5000V和0~5V兩路電壓輸 出，當(dāng)變壓器二次繞組高壓輸出從0V到5000V變化時(shí)，變壓器二次繞組低壓輸出從0V到5V之間變化，兩路輸出之間具有良好的線性關(guān)系。測(cè)試開始在設(shè)定 的升壓時(shí)間間隔內(nèi)，變壓器二次繞組低壓側(cè)輸出的電壓經(jīng)隔離變壓器和信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入單片機(jī)ADCm842，單片機(jī)ADCm842中的12位ADC以每秒 42萬次轉(zhuǎn)換速度進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送給計(jì)算機(jī)并與計(jì)算機(jī)設(shè)定值相比較，直到輸出電壓符合設(shè)定電壓值，我們就認(rèn)為實(shí)際輸出測(cè)試電 壓滿足了我們?cè)O(shè)定值的要求。
    耐壓測(cè)試系統(tǒng)漏電流的測(cè)試范圍是0mA ~20mA，測(cè)試開始時(shí)，被測(cè)設(shè)備漏電流通過電流互感器，然后經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路將采樣電流轉(zhuǎn)換成電壓在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算，zui終得到被測(cè) 設(shè)備在設(shè)定電壓條件下的泄漏電流值，通過和安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏電流值相比較，就可以檢驗(yàn)設(shè)備耐壓測(cè)試是否合格。實(shí)際測(cè)試時(shí)，在電流互感器二次側(cè)設(shè)計(jì)了過流 保護(hù)電路，當(dāng)有過流情況出現(xiàn)時(shí)，例如被測(cè)設(shè)備被擊穿或者被測(cè)設(shè)備絕緣缺陷，電源迅速被切斷，測(cè)試被終止以保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)不被損壞。 　
    常規(guī) 的信號(hào)調(diào)理部分采用真有效值的模擬運(yùn)算，泄漏電流信號(hào)的有效值和峰值運(yùn)算都是由硬件電路完成后輸入單片機(jī)或計(jì)算機(jī)的。這種信號(hào)調(diào)理方式zui終只能獲得泄漏電 流信號(hào)的峰值或有效值。這種方法不僅精度不高而且損失了頻率信息，不能真實(shí)的復(fù)現(xiàn)泄漏電流的實(shí)際波形。本系統(tǒng)采用了高速的A/D轉(zhuǎn)換將交流電壓值直接采集 進(jìn)計(jì)算機(jī)，按照用戶要求計(jì)算出峰值和有效值，并且畫出實(shí)時(shí)的漏電流波形使用戶能直觀的監(jiān)測(cè)漏電流情況。計(jì)算機(jī)還可以進(jìn)行軟件校正，去除漂移、失調(diào)造成的誤 差。按照實(shí)際情況還可以采用數(shù)字濾波的方式去除高頻干擾，這種信號(hào)調(diào)理方式簡(jiǎn)化了硬件電路，成本較低，測(cè)試精度高，測(cè)試穩(wěn)定性好。由于耐壓測(cè)試的試驗(yàn)電壓 較高，為了保證試驗(yàn)的安全性，在測(cè)試過程中要保證測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱外殼良好的接地。  
    2、程控電源模塊的設(shè)計(jì) 　耐壓測(cè)試程控電源部分的系統(tǒng)框圖
    由 于在實(shí)際的耐壓測(cè)試中，對(duì)不同產(chǎn)品可能要求施加不同的測(cè)試電壓，這就要求耐壓測(cè)試系統(tǒng)輸出測(cè)試電壓是可調(diào)的。PWM（Pulse Width Modulation）是控制逆變電源以實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓的輸出的主要方法之一。PWM控制的理論基礎(chǔ)建立在采樣控制理論的一個(gè)重要結(jié)論上，即：沖量相等而形 狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM波形就是把正弦波用等幅不等寬的脈沖代替，脈沖中點(diǎn)與正弦等分中點(diǎn)重合，且與相對(duì)應(yīng)的正 弦面積相等，各脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波的產(chǎn)生有很多方法，可以由集成芯片或通用電路組合產(chǎn)生，也可以由單片機(jī)產(chǎn)生。本系統(tǒng)采用單片機(jī) ATMEGA16L產(chǎn)生SPWM波，利用單片機(jī)ATMEGA16L的內(nèi)部的累加器和比較器通調(diào)節(jié)占空比在PC4口輸出SPWM波。　
    程 控電壓源采用單向220V工頻交流電經(jīng)過橋式整流獲得直流電壓，經(jīng)過濾波后為逆變電路提供穩(wěn)定的直流電。同時(shí)由單片機(jī)產(chǎn)生的單相SPWM波經(jīng)過非門產(chǎn)生一 路和單片機(jī)輸出相位互補(bǔ)的SPWM波，這兩路互補(bǔ)的SPWM波分別經(jīng)過單穩(wěn)電路和隔離驅(qū)動(dòng)電路后就可以產(chǎn)生兩路相位互補(bǔ)的門級(jí)觸發(fā)脈沖序列可以控制的通 斷。zui終由IGBT構(gòu)成的逆變橋輸出經(jīng)低通濾波可得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波，正弦電壓幅值0V~140V可調(diào)。
    3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì) 　耐壓測(cè)試以高性能單片機(jī)ADCm842為核心組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。ADCm842內(nèi)部集成了12位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，具有DMA控制器可完成A/D 轉(zhuǎn)換到RAM的高速轉(zhuǎn)換。ADCm842具有*的8052內(nèi)核，  峰值效率每秒可執(zhí)行20兆指令。ADCm842內(nèi)部有多大62KB的片內(nèi)程序閃存；4KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)閃存，可擦寫10萬次的2.3KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。 測(cè)試系統(tǒng)的單片機(jī)采用C51編程對(duì)測(cè)試進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，PC計(jì)算機(jī)主要提供人機(jī)交互的界面。這種測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用起來靈活方便。 　
    測(cè) 試控制系統(tǒng)包括對(duì)電壓源的控制、數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出和顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，同時(shí)耐壓測(cè)試系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)測(cè)試前自檢，自動(dòng)消除可能的 誤差因素和對(duì)故障報(bào)警等功能。通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電壓的準(zhǔn)確控制。當(dāng)測(cè)試電壓達(dá)到測(cè)試要求值時(shí)，啟動(dòng)測(cè)試。軟件按照IEC61010中的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓進(jìn) 行控制。計(jì)算機(jī)采用VC++編程，測(cè)試界面直觀操作方便。用戶可以按照實(shí)際測(cè)試設(shè)置不同的測(cè)試時(shí)間和泄漏電流閾值，可以監(jiān)視測(cè)試進(jìn)度并顯示測(cè)試結(jié)果，如果 在測(cè)試過程中發(fā)生被測(cè)樣品擊穿現(xiàn)象或其它可能的過流現(xiàn)象，測(cè)試儀的輸出電壓能迅速降為零，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。四、試驗(yàn)結(jié)果及分析　
    實(shí)際測(cè) 試選用0.5級(jí)的ZX117A型可調(diào)高壓電阻箱作為標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)件，通過單片機(jī)控制輸出電壓升到設(shè)定值，用南京長(zhǎng)勝的CS1940型數(shù)字高壓表監(jiān)視電壓輸出， 輸出電壓的誤差不超過±1.5%。使用美國(guó)安捷倫的六位半數(shù)字萬用表A-34401A測(cè)量系統(tǒng)漏電流，以漏電流的計(jì)算值為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)本系統(tǒng)的測(cè)試精度，按照 標(biāo)準(zhǔn)IEC61010，以不同高電壓施加在相同電阻上分別進(jìn)行漏電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，漏電流的測(cè)試誤差為± （1.5%±0.05mA）。漏電流的測(cè)試結(jié)果見表1。
    五、小結(jié) 　本耐壓測(cè)試系統(tǒng)符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；性能穩(wěn)定，耐壓輸出交流500V~5kV可調(diào)，測(cè)試漏電流范圍在0mA~20mA；由工 業(yè)計(jì)算機(jī)控制，測(cè)試參數(shù)自主設(shè)定，軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單；試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)穩(wěn)定，測(cè)試精度可達(dá)±（1.5%±0.05mA）。