引言

絕緣電阻測試是電氣設備安全檢測項目中的一項非常重要的內容。IEC61010對絕緣電阻測試上有著嚴格的要求。通過對絕緣電阻阻值的測試,可以檢測出電氣設備絕緣性能的損壞程度,從而確定設備是否可以安全運行。在現有的微機檢測系統中,絕緣測試的準確性及易操作性一直是廣大用戶認為問題多的測試項目。由于傳統的指針式兆歐表測量范圍小,誤差大,吸收比計算復雜等一系列問題,因此本文設計了基于單片機的數字式絕緣電阻測試儀來解決以上出現的問題。

在電氣安全的基本性能測試中,有絕緣電阻,泄漏電流,吸收比等基本指標。這些指標是否標準對電氣設備的正常運行以及人身安全起了很大的影響。所以準確測量這些性能指標是非常重要的一項工作。由于單片機的性能高,體積小,抗干擾性好等一些優點,所以本文采用了單片機芯片為基礎配合鍵盤,LCD顯示,對數字式的絕緣電阻測試儀的設計原理進行了比較詳細的概述。

1、絕緣電阻

絕緣電阻是處于兩個導體之間的阻止兩個導體之間有效電流形成的絕緣物,當有直流電壓作用于絕緣電阻時,此時會在絕緣體中產生充電電流,吸收電流和泄漏電流。在隨后的一段時間內,充電電流和吸收電流會隨時間變化而逐漸變小,直至消失。而只有泄漏電流與時間無關,它是反映設備實際工作狀態的安全電參數之一,也是一個對人體有著直接影響的電參數之一,所以對泄漏電流的準確測量是電氣設備安全工作的前提保證,是一項非常重要的工作。絕緣電阻測試就是通過儀器測量電氣設備中的泄漏電流,通常測試儀會以電阻值的方式顯示以方便判斷絕緣電阻的性能是否合格。

2、測試系統原理

該數字絕緣電阻測試儀主要由高壓產生電路,采樣回路,A/D與D/A轉換器,單片機系統回路,LCD,鍵盤輸入等組成。絕緣電阻測試原理框圖如圖1所示:其中R為被測設備的絕緣電阻,通常為電氣設備或電線外殼的電阻。儀器工作時,單片機芯片通過并行I/O得到鍵盤外部輸入的信息,經過計算將信息通過另一并行I/O傳送給數模轉換器,本文使用應用較為廣泛的DAC0832。數字信號經過轉換變為模擬信號,然后控制高壓直流電源輸出與鍵盤鍵入信號相對應的高壓直流電源。當直流高壓作用于被測絕緣電阻值與被測電阻對應。這時信號采集電路會進行信號采集,得到有效模擬信號后經過模數轉換器后將數字信號送單片機,這里使用的模數轉換器器為ADC0832。經過單片機處理將測量出的絕緣電阻值在LCD顯示。

因為在直流電壓施加于絕緣電阻時,剛開始會產生除了泄漏電流之外的充電電流和吸收電流。所以為了減小測試初始充電電流和吸收電流的影響,提高測試的精度,在這里分別采集直流電壓施加于絕緣電阻后15秒和60秒后的絕緣電阻值R15和R60。而將R60作為絕緣電阻的有效數據。同時還可方便的計算出絕緣電阻的吸收比K=R60/R15。吸收比是與絕緣電阻阻值一樣重要的參數,它對反應大型電力變壓器局部缺陷較為靈敏,例如變壓器油內含有水分、套管及線圈局部弱點或臟污等。絕緣電阻和吸收比均是判斷絕緣物是否受潮的靈敏指標。

2.1  按鍵消抖

單片機中應用的鍵盤一般是由機械觸點構成的,所以當機械觸電斷開,閉合時,觸點將有抖動。這種抖動對于人來說是感覺不到的,但對于單片機來說,則是*可以感應到的。因為單片機處理的速度為微秒級,而機械抖動的時間至少是毫秒級,這對于單片機來說已經是一個很“漫長”的時間了。所以雖然只按了一次按鍵,但是單片機卻檢測到按了多次鍵,因而往往產生非預期的效果。

在這里為了使單片機能夠正確地讀出鍵盤所接I/O口的信息,采用了單片機中常用的軟件消抖法。當單片機次檢測到某口線為低電平時,不是立即認定其對應按鍵按下,而是延后幾十毫秒后再次檢測該口線電平。如果仍為低電平,說明該按鍵確實被按下,這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間。這樣就可以使單片機準確的接受到按鍵信息。

2.2  高壓直流電源

根據IEC 61010標準及測試的要求,要求在進行絕緣電阻測試時,在絕緣電阻測試的測試回路應分別作用250V、500V、1000V三種直流電壓。本系統開關電源的電壓為12V。為了得到前面的三種高壓標準。通過開關電源控制,控制開關管開通和關斷的時間比率,使12 V直流電壓變換成占空比為0.5的高頻方波后,將此方波加載于升壓變壓器的原邊,就相當于一個峰值12 V的交變方波加在變壓器的原邊上,之后在次邊按匝數比變換為高壓方波。由式

(1)計算變壓器匝數比:V1=2nDV2

式中,V2輸入電壓值12V;V1輸出電壓值250V、500V、1000V;D為占空比,在此取D=0.5。由此可計算出三種高壓對應的變壓比,經變壓器變壓后得到的高壓電源再經過穩壓電路就可施加于被測絕緣電阻。

2.3  信號采集

信號采集電路如圖2所示。R為被測絕緣電阻,V為高壓直流電源,r為采樣電阻。當高電壓施加于絕緣電阻時,電路回路中會有泄漏電流,因此模數轉換器接收的為采樣電阻r兩端的電壓,適當選取r的值。使其兩端電壓為單片機可接受的電壓范圍0～5V之間。單片機通過模數轉換器得到的r兩端的電壓值,就可求出被測絕緣電阻的阻值。若V0為r兩端電壓值。則計算式

(2) 為:R=(V/V0)r

3、結束語

該數字式絕緣電阻測試儀*運用了單片機低功耗、性能高、體積小、抗干擾性強等優點,使得儀器本身具有了操作簡便、可移動性強等優點,且滿足了IEC61010的要求,對絕緣電阻施加了250V、500V、1000V三種要求的直流高壓,達到了對絕緣電阻的測量。本測試儀適于在各種電氣設備的保養、維修、試驗及檢定中作絕緣測試,為電氣設備的正常工作以及人身安全提供了保障。