電氣安全性能測試耐壓測試系統研究

電氣安全性能測試耐壓測試系統研究

    摘 要：為了配合儀器設備電氣安全性能檢測新國標的制定和實施，設計了符合IEC61010標準的耐壓測試系統。測試系統包括程控電源、測試回路、信號采集、 調理電路和單片機數據采集接口電路等部分。試驗數據表明系統工作穩定，測試精度高。在0~20mA的測試范圍內，測試精度達到± （1.5%mA±0.05mA）。
    一、引言
     電氣安全性能參數是國家強制性認證的指標之一，也是反映電子產品和設備安全性能重要的參數。2001年，IEC1010標準——《測量、控制及試驗室用電 氣設備的安全》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標準的新國家標準。電氣安全主要測試指標包括交 /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品在實際工作狀態下的電氣安全性能，是檢驗設備電氣安全性能的重要指標之一。目 前市場上所見的耐壓測試儀采用GB4706（等同IEC1010）標準，使用較多的是臺式結構的單項測試指標測試儀器，不能滿足用戶需要多指標綜合測試的 需求；而且目前市場上的耐壓測試儀多采用的是傳統的測試方法，測試精度不高，采用的技術和主要性能指標與*水平有一定的差距，不能*目前發展 的電氣安全性能測試工作的需要。因此研究符合標準的采用先進技術和具有更好性能指標的耐壓測試系統具有重要意義。
     二、耐壓測試的原理　
     耐壓測試是指對各種電器裝置、絕緣材料和絕緣結構的耐受電壓能力進行的測試。在不破壞絕緣材料性能的情況下，對絕緣材料或絕緣結構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，進而檢驗產品設備的絕緣性能是否符合安全標準。　 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備的絕緣體上，并持續一段規定的時間，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會產生很小的 漏電流。如果一個被測設備絕緣體在規定的時間內，其漏電電流保持在規定的范圍內，就可以確定這個被測設備可以在正常的運行條件下安全運行。進行耐壓測試時 （如圖1），技術規格不同被測試品，測量標準也就不同。對一般被測設備，耐壓測試是測量火線與機殼之間的漏電流值，基本規定是：以兩倍于被測物的工作電壓 再加1000V作為測試的標準電壓。部分產品的測試電壓可能高于這一規定值。按照IEC61010的規定，測試電壓必須在5s內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準規定的泄漏電流閾值相比較，就可以判斷被測產品的 絕緣性能是否符合標準。測試結束后，試驗電壓必須在規定的時間內逐漸地降至零[1]。
     三、耐壓測試系統設計
     測試系統有三大模塊：程控電源模塊、信號采集調理模塊和計算機控制系統。
     程控電源模塊由輸出位0V~140V的程控電源和高壓變壓器構成，在單片機ADCm842控制下程控電源輸出電壓經變壓器升壓可以得到設定的輸出電壓值。
     信號采集調理模塊包括傳感器、信號調理電路和過電流保護電路，測試回路漏電流通過傳感器進入信號采集和調理電路，在信號采集和調理電路中對漏電流信號進行I/V轉換變成滿足A/D輸入范圍的電壓信號。過流保護電路在試品或電路故障時啟動。 　
     單片機ADCm842和計算機構成PC計算機控制系統,控制測試過程電壓升降、A/D轉換、數據的處理和分析。
     1、信號采集和調理模塊設計　 耐壓測試需要監測的參數是：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系。測試開始在設定 的升壓時間間隔內，變壓器二次繞組低壓側輸出的電壓經隔離變壓器和信號調理電路后進入單片機ADCm842，單片機ADCm842中的12位ADC以每秒 42萬次轉換速度進行高速A/D轉換，A/D轉換后的數字量傳送給計算機并與計算機設定值相比較，直到輸出電壓符合設定電壓值，我們就認為實際輸出測試電 壓滿足了我們設定值的要求。
    耐壓測試系統漏電流的測試范圍是0mA ~20mA，測試開始時，被測設備漏電流通過電流互感器，然后經I/V轉換電路將采樣電流轉換成電壓在單片機內進行相應的A/D轉換和計算，zui終得到被測 設備在設定電壓條件下的泄漏電流值，通過和安全標準規定的泄漏電流值相比較，就可以檢驗設備耐壓測試是否合格。實際測試時，在電流互感器二次側設計了過流 保護電路，當有過流情況出現時，例如被測設備被擊穿或者被測設備絕緣缺陷，電源迅速被切斷，測試被終止以保護測試系統不被損壞。 　
    常規 的信號調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或計算機的。這種信號調理方式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，不能真實的復現泄漏電流的實際波形。本系統采用了高速的A/D轉換將交流電壓值直接采集 進計算機，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測漏電流情況。計算機還可以進行軟件校正，去除漂移、失調造成的誤 差。按照實際情況還可以采用數字濾波的方式去除高頻干擾，這種信號調理方式簡化了硬件電路，成本較低，測試精度高，測試穩定性好。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機箱外殼良好的接地。  
    2、程控電源模塊的設計 　耐壓測試程控電源部分的系統框圖
    由 于在實際的耐壓測試中，對不同產品可能要求施加不同的測試電壓，這就要求耐壓測試系統輸出測試電壓是可調的。PWM（Pulse Width Modulation）是控制逆變電源以實現可調電壓的輸出的主要方法之一。PWM控制的理論基礎建立在采樣控制理論的一個重要結論上，即：沖量相等而形 狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，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，且與相對應的正 弦面積相等，各脈沖的寬度按正弦規律變化。SPWM波的產生有很多方法，可以由集成芯片或通用電路組合產生，也可以由單片機產生。本系統采用單片機 ATMEGA16L產生SPWM波，利用單片機ATMEGA16L的內部的累加器和比較器通調節占空比在PC4口輸出SPWM波。　
    程 控電壓源采用單向220V工頻交流電經過橋式整流獲得直流電壓，經過濾波后為逆變電路提供穩定的直流電。同時由單片機產生的單相SPWM波經過非門產生一 路和單片機輸出相位互補的SPWM波，這兩路互補的SPWM波分別經過單穩電路和隔離驅動電路后就可以產生兩路相位互補的門級觸發脈沖序列可以控制的通 斷。zui終由IGBT構成的逆變橋輸出經低通濾波可得到標準正弦波，正弦電壓幅值0V~140V可調。
    3、計算機控制系統及軟件設計 　耐壓測試以高性能單片機ADCm842為核心組成計算機控制系統。ADCm842內部集成了12位A/D和D/A轉換器，具有DMA控制器可完成A/D 轉換到RAM的高速轉換。ADCm842具有*的8052內核，  峰值效率每秒可執行20兆指令。ADCm842內部有多大62KB的片內程序閃存；4KB的片內數據閃存，可擦寫10萬次的2.3KB的片內數據RAM。 測試系統的單片機采用C51編程對測試進行控制和數據的處理，PC計算機主要提供人機交互的界面。這種測試系統應用起來靈活方便。 　
    測 試控制系統包括對電壓源的控制、數據的采集、A/D轉換、數據分析、數據輸出和顯示、數據存儲等，同時耐壓測試系統軟件可實現測試前自檢，自動消除可能的 誤差因素和對故障報警等功能。通過軟件實現對測試電壓的準確控制。當測試電壓達到測試要求值時，啟動測試。軟件按照IEC61010中的測試標準對電壓進 行控制。計算機采用VC++編程，測試界面直觀操作方便。用戶可以按照實際測試設置不同的測試時間和泄漏電流閾值，可以監視測試進度并顯示測試結果，如果 在測試過程中發生被測樣品擊穿現象或其它可能的過流現象，測試儀的輸出電壓能迅速降為零，并發出報警信號。四、試驗結果及分析　
    實際測 試選用0.5級的ZX117A型可調高壓電阻箱作為標準被測件，通過單片機控制輸出電壓升到設定值，用南京長勝的CS1940型數字高壓表監視電壓輸出， 輸出電壓的誤差不超過±1.5%。使用美國安捷倫的六位半數字萬用表A-34401A測量系統漏電流，以漏電流的計算值為標準評價本系統的測試精度，按照 標準IEC61010，以不同高電壓施加在相同電阻上分別進行漏電流測試，測試結果表明，測量數據的重復性較好，漏電流的測試誤差為± （1.5%±0.05mA）。漏電流的測試結果見表1。
    五、小結 　本耐壓測試系統符合IEC61010標準，采用計算機控制技術；性能穩定，耐壓輸出交流500V~5kV可調，測試漏電流范圍在0mA~20mA；由工 業計算機控制，測試參數自主設定，軟件界面友好，操作簡單；試驗數據顯示系統穩定，測試精度可達±（1.5%±0.05mA）。