電氣安全性能測試耐壓測試系統(tǒng)研究

電氣安全性能測試耐壓測試系統(tǒng)研究

    摘 要：為了配合儀器設(shè)備電氣安全性能檢測新國標(biāo)的制定和實施，設(shè)計了符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)的耐壓測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)包括程控電源、測試回路、信號采集、 調(diào)理電路和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集接口電路等部分。試驗數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試精度高。在0~20mA的測試范圍內(nèi)，測試精度達(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)——《測量、控制及試驗室用電 氣設(shè)備的安全》重新修訂為IEC61010。為了更好地與接軌，我國將要重新制訂符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)的新國家標(biāo)準(zhǔn)。電氣安全主要測試指標(biāo)包括交 /直流耐壓、絕緣電阻、泄漏電流、接地電阻等。交/直流耐壓試驗用于檢驗產(chǎn)品在實際工作狀態(tài)下的電氣安全性能，是檢驗設(shè)備電氣安全性能的重要指標(biāo)之一。目 前市場上所見的耐壓測試儀采用GB4706（等同IEC1010）標(biāo)準(zhǔn)，使用較多的是臺式結(jié)構(gòu)的單項測試指標(biāo)測試儀器，不能滿足用戶需要多指標(biāo)綜合測試的 需求；而且目前市場上的耐壓測試儀多采用的是傳統(tǒng)的測試方法，測試精度不高，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)的耐壓測試系統(tǒng)具有重要意義。
     二、耐壓測試的原理　
     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(jìn)行的測試。在不破壞絕緣材料性能的情況下，對絕緣材料或絕緣結(jié)構(gòu)施加高電壓的過程稱為耐 壓試驗。一般來講，耐壓測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)而檢驗產(chǎn)品設(shè)備的絕緣性能是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)?！?耐壓測試的基本原理：把一個高于正常工作的電壓加在被測設(shè)備的絕緣體上，并持續(xù)一段規(guī)定的時間，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會產(chǎn)生很小的 漏電流。如果一個被測設(shè)備絕緣體在規(guī)定的時間內(nèi)，其漏電電流保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以確定這個被測設(shè)備可以在正常的運行條件下安全運行。進(jìn)行耐壓測試時 （如圖1），技術(shù)規(guī)格不同被測試品，測量標(biāo)準(zhǔn)也就不同。對一般被測設(shè)備，耐壓測試是測量火線與機(jī)殼之間的漏電流值，基本規(guī)定是：以兩倍于被測物的工作電壓 再加1000V作為測試的標(biāo)準(zhǔn)電壓。部分產(chǎn)品的測試電壓可能高于這一規(guī)定值。按照IEC61010的規(guī)定，測試電壓必須在5s內(nèi)逐漸地上升到所要求的試驗 電壓值（例如5kV等），保證試驗電壓值穩(wěn)定加在被測絕緣體上不少于5s，此時所測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，就可以判斷被測產(chǎn)品的 絕緣性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測試結(jié)束后，試驗電壓必須在規(guī)定的時間內(nèi)逐漸地降至零[1]。
     三、耐壓測試系統(tǒng)設(shè)計
     測試系統(tǒng)有三大模塊：程控電源模塊、信號采集調(diào)理模塊和計算機(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。
     信號采集調(diào)理模塊包括傳感器、信號調(diào)理電路和過電流保護(hù)電路，測試回路漏電流通過傳感器進(jìn)入信號采集和調(diào)理電路，在信號采集和調(diào)理電路中對漏電流信號進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換變成滿足A/D輸入范圍的電壓信號。過流保護(hù)電路在試品或電路故障時啟動。 　
     單片機(jī)ADCm842和計算機(jī)構(gòu)成PC計算機(jī)控制系統(tǒng),控制測試過程電壓升降、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理和分析。
     1、信號采集和調(diào)理模塊設(shè)計　 耐壓測試需要監(jiān)測的參數(shù)是：變壓器輸出高電壓的值和測試回路的漏電流值。測試系統(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，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。測試開始在設(shè)定 的升壓時間間隔內(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)字量傳送給計算機(jī)并與計算機(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)為實際輸出測試電 壓滿足了我們設(shè)定值的要求。
    耐壓測試系統(tǒng)漏電流的測試范圍是0mA ~20mA，測試開始時，被測設(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)換和計算，zui終得到被測 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，就可以檢驗設(shè)備耐壓測試是否合格。實際測試時，在電流互感器二次側(cè)設(shè)計了過流 保護(hù)電路，當(dāng)有過流情況出現(xiàn)時，例如被測設(shè)備被擊穿或者被測設(shè)備絕緣缺陷，電源迅速被切斷，測試被終止以保護(hù)測試系統(tǒng)不被損壞。 　
    常規(guī) 的信號調(diào)理部分采用真有效值的模擬運算，泄漏電流信號的有效值和峰值運算都是由硬件電路完成后輸入單片機(jī)或計算機(jī)的。這種信號調(diào)理方式zui終只能獲得泄漏電 流信號的峰值或有效值。這種方法不僅精度不高而且損失了頻率信息，不能真實的復(fù)現(xiàn)泄漏電流的實際波形。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)計算機(jī)，按照用戶要求計算出峰值和有效值，并且畫出實時的漏電流波形使用戶能直觀的監(jiān)測漏電流情況。計算機(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，這種信號調(diào)理方式簡化了硬件電路，成本較低，測試精度高，測試穩(wěn)定性好。由于耐壓測試的試驗電壓 較高，為了保證試驗的安全性，在測試過程中要保證測試系統(tǒng)機(jī)箱外殼良好的接地。  
    2、程控電源模塊的設(shè)計 　耐壓測試程控電源部分的系統(tǒng)框圖
    由 于在實際的耐壓測試中，對不同產(chǎn)品可能要求施加不同的測試電壓，這就要求耐壓測試系統(tǒng)輸出測試電壓是可調(diào)的。PWM（Pulse Width Modulation）是控制逆變電源以實現(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，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，脈沖中點與正弦等分中點重合，且與相對應(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?！?br />    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)動電路后就可以產(chǎn)生兩路相位互補(bǔ)的門級觸發(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、計算機(jī)控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計 　耐壓測試以高性能單片機(jī)ADCm842為核心組成計算機(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。 測試系統(tǒng)的單片機(jī)采用C51編程對測試進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，PC計算機(jī)主要提供人機(jī)交互的界面。這種測試系統(tǒng)應(yīng)用起來靈活方便。 　
    測 試控制系統(tǒng)包括對電壓源的控制、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)存儲等，同時耐壓測試系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)測試前自檢，自動消除可能的 誤差因素和對故障報警等功能。通過軟件實現(xiàn)對測試電壓的準(zhǔn)確控制。當(dāng)測試電壓達(dá)到測試要求值時，啟動測試。軟件按照IEC61010中的測試標(biāo)準(zhǔn)對電壓進(jìn) 行控制。計算機(jī)采用VC++編程，測試界面直觀操作方便。用戶可以按照實際測試設(shè)置不同的測試時間和泄漏電流閾值，可以監(jiān)視測試進(jìn)度并顯示測試結(jié)果，如果 在測試過程中發(fā)生被測樣品擊穿現(xiàn)象或其它可能的過流現(xiàn)象，測試儀的輸出電壓能迅速降為零，并發(fā)出報警信號。四、試驗結(jié)果及分析　
    實際測 試選用0.5級的ZX117A型可調(diào)高壓電阻箱作為標(biāo)準(zhǔn)被測件，通過單片機(jī)控制輸出電壓升到設(shè)定值，用南京長勝的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%。使用美國安捷倫的六位半數(shù)字萬用表A-34401A測量系統(tǒng)漏電流，以漏電流的計算值為標(biāo)準(zhǔn)評價本系統(tǒng)的測試精度，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)行漏電流測試，測試結(jié)果表明，測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，漏電流的測試誤差為± （1.5%±0.05mA）。漏電流的測試結(jié)果見表1。
    五、小結(jié) 　本耐壓測試系統(tǒng)符合IEC61010標(biāo)準(zhǔn)，采用計算機(jī)控制技術(shù)；性能穩(wěn)定，耐壓輸出交流500V~5kV可調(diào)，測試漏電流范圍在0mA~20mA；由工 業(yè)計算機(jī)控制，測試參數(shù)自主設(shè)定，軟件界面友好，操作簡單；試驗數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)穩(wěn)定，測試精度可達(dá)±（1.5%±0.05mA）。