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(shí)際工作狀態(tài)下設(shè)備的安全性能，是一個(gè)對(duì)人體安全有著直接影響的電參數(shù)。因此，進(jìn)行耐壓測(cè)試是檢驗(yàn)安全性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。?

　　耐壓測(cè)試的基礎(chǔ)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(cè)試主要達(dá)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(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(duì)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(cè)試時(shí)(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(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(cè)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，所加電壓值由高壓發(fā)生器兩端的電壓表測(cè)定，這個(gè)電壓必須持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間，通過(guò)觀測(cè)回路中電流表的漏電流值的大小來(lái)確定被測(cè)試件的耐壓能力。如果一個(gè)被測(cè)設(shè)備或零部件在規(guī)定的時(shí)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(gè)被測(cè)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(duì)一般器具來(lái)說(shuō)，耐壓測(cè)試是測(cè)試火線(xiàn)與機(jī)殼之間的漏電流值。基本規(guī)定是：以?xún)杀队诒粶y(cè)物的工作電壓，再加1000V，作為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)電壓。有些產(chǎn)品的測(cè)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(cè)試電壓逐漸地上升到所要求的試驗(yàn)電壓值(例如5kV等)，然后保持規(guī)定的時(shí)間(5s)，同時(shí)測(cè)得回路的漏電流值，以便確定耐壓測(cè)試是否符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，再在規(guī)定的時(shí)間(例如5s)內(nèi)，將試驗(yàn)電壓逐漸地降至零。［1］?

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　　測(cè)試系統(tǒng)由電源、信號(hào)采集、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、SPWM發(fā)生器和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。進(jìn)行耐壓測(cè)試時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出適當(dāng)?shù)臄?shù)字量，得到對(duì)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(cè)試件上。計(jì)算機(jī)通過(guò)電壓、電流傳感器采集試件兩端的電壓和測(cè)試回路的電流參數(shù)，通過(guò)閉環(huán)控制技術(shù)可以得到測(cè)試規(guī)定的電壓，再通過(guò)軟件就可以測(cè)定被測(cè)試件的耐壓能力。本文介紹的新型耐壓測(cè)試系統(tǒng)符合最新IEC61010標(biāo)準(zhǔn)，采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試過(guò)程，軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，能方便與其他幾項(xiàng)測(cè)試參數(shù)組合進(jìn)行綜合測(cè)試。需要說(shuō)明的是，耐壓測(cè)試系統(tǒng)是儀器儀表安全性能綜合測(cè)試系統(tǒng)項(xiàng)目的一項(xiàng)指標(biāo)。主要指標(biāo)有：耐壓輸出0～5kV，自動(dòng)升壓(AC)；漏電流0.1～20mA，任意設(shè)定(AC)；準(zhǔn)確度(1～3)%；測(cè)試時(shí)間5s(IEC61010規(guī)定為5s，但可以根據(jù)需要任意設(shè)定)。耐壓測(cè)試系統(tǒng)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(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(xiàn)性關(guān)系；采樣電壓進(jìn)入信號(hào)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(cè)試回路中的電流互感器來(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)采集板卡中的多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D采集到計(jì)算機(jī)后，求出均方根值；最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)采集信號(hào)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(cè)試的需要，通過(guò)軟件進(jìn)行標(biāo)度變換，求出實(shí)際測(cè)試的電壓值、電流值、測(cè)試時(shí)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(jì)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(jì)的ISA板卡，包括地址譯碼電路、總線(xiàn)接口、A/D轉(zhuǎn)換、模擬開(kāi)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(guò)數(shù)字輸出信號(hào)的高低控制交流接觸器的開(kāi)合，包括耐壓測(cè)試儀的啟動(dòng)、保護(hù)、停止，以及通過(guò)數(shù)字輸出信號(hào)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電源模塊中的SPWM信號(hào)的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的啟動(dòng)與封鎖等邏輯控制。另外，系統(tǒng)的操作都是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O信號(hào)邏輯電平不能直接驅(qū)動(dòng)接觸器，因此，在硬件電路上設(shè)計(jì)了相關(guān)的控制電平轉(zhuǎn)換電路，比如：通過(guò)固態(tài)繼電器SSR來(lái)驅(qū)動(dòng)接?觸器。
2.3電源
　　電源部分采用計(jì)算機(jī)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(nèi)變化；單相逆變由IGBT構(gòu)成的H橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(tǒng)設(shè)計(jì)的脈沖序列采用SPWM波進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)輸出適當(dāng)?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，通過(guò)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(jí)濾波環(huán)節(jié)得到比較理想的正弦波。而控制SPWM波是通過(guò)控制調(diào)制度m(正弦波幅值和三角波幅值之比)來(lái)實(shí)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(gè)可變值)，從而達(dá)到控制耐壓測(cè)試儀的測(cè)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(cè)試需要較高的電壓，為此，設(shè)計(jì)了一級(jí)升壓變壓環(huán)節(jié)。通過(guò)電壓采樣環(huán)節(jié)和采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制技術(shù)，將設(shè)定的測(cè)試高壓U4施加在被測(cè)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試(圖3)。

　　軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、輸出、顯示等任務(wù)，當(dāng)然，軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程要體現(xiàn)IEC61010中的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)試電源部分的準(zhǔn)確控制。待測(cè)試電壓達(dá)到測(cè)試要求值時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)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(bào)警(測(cè)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(xiàn)象時(shí)則試驗(yàn)裝置急速降壓至零，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，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(xiàn)測(cè)試前自校準(zhǔn)、自診斷，自動(dòng)消除可能的誤差因素或?qū)收蠄?bào)警等［3］、［4］。?

　　用測(cè)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(guò)電流互感器采集漏電流；在IEC61010標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求下，以不同的高壓進(jìn)行多次試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)精度高；通過(guò)變換不同的大負(fù)載電阻，測(cè)量數(shù)據(jù)線(xiàn)性度高；與實(shí)際的耐壓測(cè)試儀器進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)一致性較好。測(cè)得的漏電流見(jiàn)表1。我們?cè)O(shè)計(jì)的耐壓測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)、控、顯一體化，具有超標(biāo)報(bào)警等功能；軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單，容易升級(jí)。 ?

參考文獻(xiàn)?

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