新型耐壓測試系統(tǒng)研究

Research on a New Type of Withstanding Voltage Testing System

YANG Shengbing, LI Dong, WANG Xiaofei, WANG Yanlin

(Department of Electronic Engineering, Beijing Institude of Machinery,
Beijing 100085, China)

　　Key words: withstanding voltage; test; IPC

　　電器裝置、絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)的耐壓能力，反映了實際工作狀態(tài)下設(shè)備的安全性能，是一個對人體安全有著直接影響的電參數(shù)。因此，進(jìn)行耐壓測試是檢驗安全性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。?

　　耐壓測試的基礎(chǔ)理論是：將一個產(chǎn)品暴露在非常惡劣的環(huán)境之下，如果產(chǎn)品能夠在這種惡劣的環(huán)境之下能維持正常狀況，就可以確定在正常的環(huán)境之下工作也一定可以維持正常的狀況。耐壓測試主要達(dá)到如下目的：1.檢查絕緣耐受工作電壓或過電壓的能力；2.檢查電氣設(shè)備絕緣制造或檢修質(zhì)量；3.排除因原材料，加工或運(yùn)輸對絕緣的影響因素；4.檢查絕緣電氣間隙和爬電距離。
　　進(jìn)行耐壓測試時(如圖1所示)，由高壓發(fā)生器產(chǎn)生一設(shè)定的高電壓，通過控制開關(guān)K的開合，把一個高于正常工作的電壓加在被測設(shè)備上進(jìn)行測試，所加電壓值由高壓發(fā)生器兩端的電壓表測定，這個電壓必須持續(xù)一段規(guī)定的時間，通過觀測回路中電流表的漏電流值的大小來確定被測試件的耐壓能力。如果一個被測設(shè)備或零部件在規(guī)定的時間內(nèi)，其漏電電流亦保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以確定這個被測設(shè)備在正常條件下能安全地運(yùn)行。
　　不同的產(chǎn)品有不同的技術(shù)規(guī)格。對一般器具來說，耐壓測試是測試火線與機(jī)殼之間的漏電流值。基本規(guī)定是：以兩倍于被測物的工作電壓，再加1000V，作為測試的標(biāo)準(zhǔn)電壓。有些產(chǎn)品的測試電壓可能高于兩倍工作電壓加1000V。在IEC61010中規(guī)定，在5s內(nèi)測試電壓逐漸地上升到所要求的試驗電壓值(例如5kV等)，然后保持規(guī)定的時間(5s)，同時測得回路的漏電流值，以便確定耐壓測試是否符合測試標(biāo)準(zhǔn)，再在規(guī)定的時間(例如5s)內(nèi)，將試驗電壓逐漸地降至零。［1］?

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　　測試系統(tǒng)由電源、信號采集、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、SPWM發(fā)生器和計算機(jī)等構(gòu)成。進(jìn)行耐壓測試時，計算機(jī)輸出適當(dāng)?shù)臄?shù)字量，得到對應(yīng)的SPWM波，從而在變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生一規(guī)定的高電壓，該電壓施加在被測試件上。計算機(jī)通過電壓、電流傳感器采集試件兩端的電壓和測試回路的電流參數(shù)，通過閉環(huán)控制技術(shù)可以得到測試規(guī)定的電壓，再通過軟件就可以測定被測試件的耐壓能力。本文介紹的新型耐壓測試系統(tǒng)符合最新IEC61010標(biāo)準(zhǔn)，采用工業(yè)計算機(jī)控制技術(shù)；實時監(jiān)測測試過程，軟件界面友好，操作簡單，能方便與其他幾項測試參數(shù)組合進(jìn)行綜合測試。需要說明的是，耐壓測試系統(tǒng)是儀器儀表安全性能綜合測試系統(tǒng)項目的一項指標(biāo)。主要指標(biāo)有：耐壓輸出0～5kV，自動升壓(AC)；漏電流0.1～20mA，任意設(shè)定(AC)；準(zhǔn)確度(1～3)%；測試時間5s(IEC61010規(guī)定為5s，但可以根據(jù)需要任意設(shè)定)。耐壓測試系統(tǒng)圖見圖2。

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　　電壓采樣由與高壓變壓器共繞組的傳感器來實現(xiàn)，電壓傳感器的高壓側(cè)在0～5000V之間變化，而采樣低壓輸出側(cè)在0～5V之間變化，它們之間具有較好的線性關(guān)系；采樣電壓進(jìn)入信號調(diào)理部分之前采用了光隔措施。電流的采樣由串聯(lián)在測試回路中的電流互感器來完成。由于漏電流最大設(shè)定值在20mA，電流傳感器選用原邊電流是40mA、副邊電流是17mA的電流互感器。調(diào)理好的信號經(jīng)過采集板卡中的多路模擬開關(guān)、A/D采集到計算機(jī)后，求出均方根值；最后通過試驗對采集信號進(jìn)行標(biāo)定后，將相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系保存在程序中，然后按照測試的需要，通過軟件進(jìn)行標(biāo)度變換，求出實際測試的電壓值、電流值、測試時間等。其中標(biāo)度變換包括放大環(huán)節(jié)處理、阻值轉(zhuǎn)換、傳輸比換算以及系統(tǒng)綜合標(biāo)定等步驟。
2.2計算機(jī)接口電路及控制邏輯、控制電平接口
　　數(shù)據(jù)采集電路采用自行設(shè)計的ISA板卡，包括地址譯碼電路、總線接口、A/D轉(zhuǎn)換、模擬開關(guān)等部分；可以完成模擬量的輸入/輸出、數(shù)字量的輸入/輸出。
　　系統(tǒng)中，通過數(shù)字輸出信號的高低控制交流接觸器的開合，包括耐壓測試儀的啟動、保護(hù)、停止，以及通過數(shù)字輸出信號的控制來實現(xiàn)電源模塊中的SPWM信號的產(chǎn)生、驅(qū)動信號的啟動與封鎖等邏輯控制。另外，系統(tǒng)的操作都是由計算機(jī)程序來實現(xiàn)的，而計算機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O信號邏輯電平不能直接驅(qū)動接觸器，因此，在硬件電路上設(shè)計了相關(guān)的控制電平轉(zhuǎn)換電路，比如：通過固態(tài)繼電器SSR來驅(qū)動接?觸器。
2.3電源
　　電源部分采用計算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)。交流電壓U?1(50Hz、220V)經(jīng)過整流、濾波后產(chǎn)生的直流電壓U?2在(0.9～1.414)［2］倍交流電源電壓值范圍內(nèi)變化；單相逆變由IGBT構(gòu)成的H橋來實現(xiàn)，通過控制IGBT的H橋臂的門極觸發(fā)脈沖序列得到所需要的交流電壓。該系統(tǒng)設(shè)計的脈沖序列采用SPWM波進(jìn)行控制，計算機(jī)輸出適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號，通過電壓采樣環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)，輸出基本連續(xù)可調(diào)的交流電壓；在交流輸出側(cè)再加一級濾波環(huán)節(jié)得到比較理想的正弦波。而控制SPWM波是通過控制調(diào)制度m(正弦波幅值和三角波幅值之比)來實現(xiàn)的；改變正弦波的幅值，使調(diào)制度m變化(調(diào)制度m具有256個可變值)，從而達(dá)到控制耐壓測試儀的測試電壓的目的。逆變輸出的交流電壓U3是0.5倍直流側(cè)電壓與調(diào)制度m的乘積［2］。由于耐壓測試需要較高的電壓，為此，設(shè)計了一級升壓變壓環(huán)節(jié)。通過電壓采樣環(huán)節(jié)和采用計算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)，將設(shè)定的測試高壓U4施加在被測設(shè)備上進(jìn)行測試(圖3)。

　　軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、輸出、顯示等任務(wù)，當(dāng)然，軟件的實現(xiàn)過程要體現(xiàn)IEC61010中的測試標(biāo)準(zhǔn)。通過程序?qū)崿F(xiàn)測試電源部分的準(zhǔn)確控制。待測試電壓達(dá)到測試要求值時，啟動計時開始測試，測試結(jié)束后相應(yīng)的測試指標(biāo)都顯示在軟件界面上，同時顯示產(chǎn)品是否合格，并產(chǎn)生報警(測試主流程圖見圖4)。無論在升壓還是恒壓過程中，發(fā)生被試樣品擊穿現(xiàn)象時則試驗裝置急速降壓至零，并發(fā)出聲光報警信號，顯示出試樣的實際擊穿電壓值以及實際擊穿電流大小。此軟件還可以實現(xiàn)測試前自校準(zhǔn)、自診斷，自動消除可能的誤差因素或?qū)收蠄缶龋?］、［4］。?

　　用測試軟件控制升壓變壓器產(chǎn)生高電壓，施加在大負(fù)載電阻上，通過電流互感器采集漏電流；在IEC61010標(biāo)準(zhǔn)測試要求下，以不同的高壓進(jìn)行多次試驗測試，測量數(shù)據(jù)重復(fù)精度高；通過變換不同的大負(fù)載電阻，測量數(shù)據(jù)線性度高；與實際的耐壓測試儀器進(jìn)行比對試驗，數(shù)據(jù)一致性較好。測得的漏電流見表1。我們設(shè)計的耐壓測試系統(tǒng)通過計算機(jī)實現(xiàn)測、控、顯一體化，具有超標(biāo)報警等功能；軟件界面友好，操作簡單，容易升級。

參考文獻(xiàn)?

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