新型耐壓測試系統研究

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、絕緣材料和絕緣結構的耐壓能力，反映了實(shí)際工作狀態(tài)下設備的安全性能，是一個(gè)對人體安全有著(zhù)直接影響的電參數。因此，進(jìn)行耐壓測試是檢驗安全性能的重要技術(shù)指標之一。?

　　耐壓測試的基礎理論是：將一個(gè)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。耐壓測試主要達到如下目的：1.檢查絕緣耐受工作電壓或過(guò)電壓的能力；2.檢查電氣設備絕緣制造或檢修質(zhì)量；3.排除因原材料，加工或運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(shí)(如圖1所示)，由高壓發(fā)生器產(chǎn)生一設定的高電壓，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K的開(kāi)合，把一個(gè)高于正常工作的電壓加在被測設備上進(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(gè)電壓必須持續一段規定的時(shí)間，通過(guò)觀(guān)測回路中電流表的漏電流值的大小來(lái)確定被測試件的耐壓能力。如果一個(gè)被測設備或零部件在規定的時(shí)間內，其漏電電流亦保持在規定的范圍內，就可以確定這個(gè)被測設備在正常條件下能安全地運行。
　　不同的產(chǎn)品有不同的技術(shù)規格。對一般器具來(lái)說(shuō)，耐壓測試是測試火線(xiàn)與機殼之間的漏電流值?；疽幎ㄊ牵阂?xún)杀队诒粶y物的工作電壓，再加1000V，作為測試的標準電壓。有些產(chǎn)品的測試電壓可能高于兩倍工作電壓加1000V。在IEC61010中規定，在5s內測試電壓逐漸地上升到所要求的試驗電壓值(例如5kV等)，然后保持規定的時(shí)間(5s)，同時(shí)測得回路的漏電流值，以便確定耐壓測試是否符合測試標準，再在規定的時(shí)間(例如5s)內，將試驗電壓逐漸地降至零。［1］?

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　　測試系統由電源、信號采集、調理、A/D轉換、SPWM發(fā)生器和計算機等構成。進(jìn)行耐壓測試時(shí)，計算機輸出適當的數字量，得到對應的SPWM波，從而在變壓器高壓側產(chǎn)生一規定的高電壓，該電壓施加在被測試件上。計算機通過(guò)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，通過(guò)閉環(huán)控制技術(shù)可以得到測試規定的電壓，再通過(guò)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符合最新IEC61010標準，采用工業(yè)計算機控制技術(shù)；實(shí)時(shí)監測測試過(guò)程，軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，能方便與其他幾項測試參數組合進(jìn)行綜合測試。需要說(shuō)明的是，耐壓測試系統是儀器儀表安全性能綜合測試系統項目的一項指標。主要指標有：耐壓輸出0～5kV，自動(dòng)升壓(AC)；漏電流0.1～20mA，任意設定(AC)；準確度(1～3)%；測試時(shí)間5s(IEC61010規定為5s，但可以根據需要任意設定)。耐壓測試系統圖見(jiàn)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(lái)實(shí)現，電壓傳感器的高壓側在0～5000V之間變化，而采樣低壓輸出側在0～5V之間變化，它們之間具有較好的線(xiàn)性關(guān)系；采樣電壓進(jìn)入信號調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(lái)完成。由于漏電流最大設定值在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。調理好的信號經(jīng)過(guò)采集板卡中的多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D采集到計算機后，求出均方根值；最后通過(guò)試驗對采集信號進(jìn)行標定后，將相應的函數關(guān)系保存在程序中，然后按照測試的需要，通過(guò)軟件進(jìn)行標度變換，求出實(shí)際測試的電壓值、電流值、測試時(shí)間等。其中標度變換包括放大環(huán)節處理、阻值轉換、傳輸比換算以及系統綜合標定等步驟。
2.2計算機接口電路及控制邏輯、控制電平接口
　　數據采集電路采用自行設計的ISA板卡，包括地址譯碼電路、總線(xiàn)接口、A/D轉換、模擬開(kāi)關(guān)等部分；可以完成模擬量的輸入/輸出、數字量的輸入/輸出。
　　系統中，通過(guò)數字輸出信號的高低控制交流接觸器的開(kāi)合，包括耐壓測試儀的啟動(dòng)、保護、停止，以及通過(guò)數字輸出信號的控制來(lái)實(shí)現電源模塊中的SPWM信號的產(chǎn)生、驅動(dòng)信號的啟動(dòng)與封鎖等邏輯控制。另外，系統的操作都是由計算機程序來(lái)實(shí)現的，而計算機總線(xiàn)的數據采集卡的數字I/O信號邏輯電平不能直接驅動(dòng)接觸器，因此，在硬件電路上設計了相關(guān)的控制電平轉換電路，比如：通過(guò)固態(tài)繼電器SSR來(lái)驅動(dòng)接?觸器。
2.3電源
　　電源部分采用計算機閉環(huán)控制技術(shù)。交流電壓U?1(50Hz、220V)經(jīng)過(guò)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變化；單相逆變由IGBT構成的H橋來(lái)實(shí)現，通過(guò)控制IGBT的H橋臂的門(mén)極觸發(fā)脈沖序列得到所需要的交流電壓。該系統設計的脈沖序列采用SPWM波進(jìn)行控制，計算機輸出適當的數字信號，通過(guò)電壓采樣環(huán)節構成閉環(huán)，輸出基本連續可調的交流電壓；在交流輸出側再加一級濾波環(huán)節得到比較理想的正弦波。而控制SPWM波是通過(guò)控制調制度m(正弦波幅值和三角波幅值之比)來(lái)實(shí)現的；改變正弦波的幅值，使調制度m變化(調制度m具有256個(gè)可變值)，從而達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倍直流側電壓與調制度m的乘積［2］。由于耐壓測試需要較高的電壓，為此，設計了一級升壓變壓環(huán)節。通過(guò)電壓采樣環(huán)節和采用計算機閉環(huán)控制技術(shù)，將設定的測試高壓U4施加在被測設備上進(jìn)行測試(圖3)。

　　軟件部分主要完成數據的采集、存儲、分析、輸出、顯示等任務(wù)，當然，軟件的實(shí)現過(guò)程要體現IEC61010中的測試標準。通過(guò)程序實(shí)現測試電源部分的準確控制。待測試電壓達到測試要求值時(shí)，啟動(dòng)計時(shí)開(kāi)始測試，測試結束后相應的測試指標都顯示在軟件界面上，同時(shí)顯示產(chǎn)品是否合格，并產(chǎn)生報警(測試主流程圖見(jiàn)圖4)。無(wú)論在升壓還是恒壓過(guò)程中，發(fā)生被試樣品擊穿現象時(shí)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(shí)際擊穿電壓值以及實(shí)際擊穿電流大小。此軟件還可以實(shí)現測試前自校準、自診斷，自動(dòng)消除可能的誤差因素或對故障報警等［3］、［4］。?

　　用測試軟件控制升壓變壓器產(chǎn)生高電壓，施加在大負載電阻上，通過(guò)電流互感器采集漏電流；在IEC61010標準測試要求下，以不同的高壓進(jìn)行多次試驗測試，測量數據重復精度高；通過(guò)變換不同的大負載電阻，測量數據線(xiàn)性度高；與實(shí)際的耐壓測試儀器進(jìn)行比對試驗，數據一致性較好。測得的漏電流見(jiàn)表1。我們設計的耐壓測試系統通過(guò)計算機實(shí)現測、控、顯一體化，具有超標報警等功能；軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，容易升級。

參考文獻?

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