新型耐压测试系统研究

新型耐压测试系统研究

介绍由工业PC控制的且符合IEC61010标准的耐压测试系统。系统由程控电源、测试回路、信号采样/调理电路和数据采集接口卡等部分组成。实验表明，系统工作稳定，数据重复精度高。
　　关键词：耐压；测试；工业PC

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 　　电器装置、绝缘材料和绝缘结构的耐压能力，反映了实际工作状态下设备的安全性能，是一个对人体安全有着直接影响的电参数。因此，进行耐压测试是检验安全性能的重要技术指标之一。? 　　耐压测试的基础理论是：将一个产品暴露在非常恶劣的环境之下，如果产品能够在这种恶劣的环境之下能维持正常状况，就可以确定在正常的环境之下工作也一定可以维持正常的状况。耐压测试主要达到如下目的：1.检查绝缘耐受工作电压或过电压的能力；2.检查电气设备绝缘制造或检修质量；3.排除因原材料，加工或运输对绝缘的影响因素；4.检查绝缘电气间隙和爬电距离。
　　进行耐压测试时(如图1所示)，由高压发生器产生一设定的高电压，通过控制开关K的开合，把一个高于正常工作的电压加在被测设备上进行测试，所加电压值由高压发生器两端的电压表测定，这个电压必须持续一段规定的时间，通过观测回路中电流表的漏电流值的大小来确定被测试件的耐压能力。如果一个被测设备或零部件在规定的时间内，其漏电电流亦保持在规定的范围内，就可以确定这个被测设备在正常条件下能安全地运行。
　　不同的产品有不同的技术规格。对一般器具来说，耐压测试是测试火线与机壳之间的漏电流值。基本规定是：以两倍于被测物的工作电压，再加1000V，作为测试的标准电压。有些产品的测试电压可能高于两倍工作电压加1000V。在IEC61010中规定，在5s内测试电压逐渐地上升到所要求的试验电压值(例如5kV等)，然后保持规定的时间(5s)，同时测得回路的漏电流值，以便确定耐压测试是否符合测试标准，再在规定的时间(例如5s)内，将试验电压逐渐地降至零。［1］? ? 　　测试系统由电源、信号采集、调理、A/D转换、SPWM发生器和计算机等构成。进行耐压测试时，计算机输出适当的数字量，得到对应的SPWM波，从而在变压器高压侧产生一规定的高电压，该电压施加在被测试件上。计算机通过电压、电流传感器采集试件两端的电压和测试回路的电流参数，通过闭环控制技术可以得到测试规定的电压，再通过软件就可以测定被测试件的耐压能力。本文介绍的新型耐压测试系统符合最新IEC61010标准，采用工业计算机控制技术；实时监测测试过程，软件界面友好，操作简单，能方便与其他几项测试参数组合进行综合测试。需要说明的是，耐压测试系统是仪器仪表安全性能综合测试系统项目的一项指标。主要指标有：耐压输出0～5kV，自动升压(AC)；漏电流0.1～20mA，任意设定(AC)；准确度(1～3)%；测试时间5s(IEC61010规定为5s，但可以根据需要任意设定)。耐压测试系统图见图2。 ? 　　电压采样由与高压变压器共绕组的传感器来实现，电压传感器的高压侧在0～5000V之间变化，而采样低压输出侧在0～5V之间变化，它们之间具有较好的线性关系；采样电压进入信号调理部分之前采用了光隔措施。电流的采样由串联在测试回路中的电流互感器来完成。由于漏电流最大设定值在20mA，电流传感器选用原边电流是40mA、副边电流是17mA的电流互感器。调理好的信号经过采集板卡中的多路模拟开关、A/D采集到计算机后，求出均方根值；最后通过试验对采集信号进行标定后，将相应的函数关系保存在程序中，然后按照测试的需要，通过软件进行标度变换，求出实际测试的电压值、电流值、测试时间等。其中标度变换包括放大环节处理、阻值转换、传输比换算以及系统综合标定等步骤。
2.2计算机接口电路及控制逻辑、控制电平接口
　　数据采集电路采用自行设计的ISA板卡，包括地址译码电路、总线接口、A/D转换、模拟开关等部分；可以完成模拟量的输入/输出、数字量的输入/输出。
　　系统中，通过数字输出信号的高低控制交流接触器的开合，包括耐压测试仪的启动、保护、停止，以及通过数字输出信号的控制来实现电源模块中的SPWM信号的产生、驱动信号的启动与封锁等逻辑控制。另外，系统的操作都是由计算机程序来实现的，而计算机总线的数据采集卡的数字I/O信号逻辑电平不能直接驱动接触器，因此，在硬件电路上设计了相关的控制电平转换电路，比如：通过固态继电器SSR来驱动接?触器。
2.3电源
　　电源部分采用计算机闭环控制技术。交流电压U?1(50Hz、220V)经过整流、滤波后产生的直流电压U?2在(0.9～1.414)［2］倍交流电源电压值范围内变化；单相逆变由IGBT构成的H桥来实现，通过控制IGBT的H桥臂的门极触发脉冲序列得到所需要的交流电压。该系统设计的脉冲序列采用SPWM波进行控制，计算机输出适当的数字信号，通过电压采样环节构成闭环，输出基本连续可调的交流电压；在交流输出侧再加一级滤波环节得到比较理想的正弦波。而控制SPWM波是通过控制调制度m(正弦波幅值和三角波幅值之比)来实现的；改变正弦波的幅值，使调制度m变化(调制度m具有256个可变值)，从而达到控制耐压测试仪的测试电压的目的。逆变输出的交流电压U3是0.5倍直流侧电压与调制度m的乘积［2］。由于耐压测试需要较高的电压，为此，设计了一级升压变压环节。通过电压采样环节和采用计算机闭环控制技术，将设定的测试高压U4施加在被测设备上进行测试(图3)。 　　软件部分主要完成数据的采集、存储、分析、输出、显示等任务，当然，软件的实现过程要体现IEC61010中的测试标准。通过程序实现测试电源部分的准确控制。待测试电压达到测试要求值时，启动计时开始测试，测试结束后相应的测试指标都显示在软件界面上，同时显示产品是否合格，并产生报警(测试主流程图见图4)。无论在升压还是恒压过程中，发生被试样品击穿现象时则试验装置急速降压至零，并发出声光报警信号，显示出试样的实际击穿电压值以及实际击穿电流大小。此软件还可以实现测试前自校准、自诊断，自动消除可能的误差因素或对故障报警等［3］、［4］。? 　　用测试软件控制升压变压器产生高电压，施加在大负载电阻上，通过电流互感器采集漏电流；在IEC61010标准测试要求下，以不同的高压进行多次试验测试，测量数据重复精度高；通过变换不同的大负载电阻，测量数据线性度高；与实际的耐压测试仪器进行比对试验，数据一致性较好。测得的漏电流见表1。我们设计的耐压测试系统通过计算机实现测、控、显一体化，具有超标报警等功能；软件界面友好，操作简单，容易升级。  
参考文献? ［2］陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术［M］.北京：机械工业出版社，2001.
［3］林卫星.十六位单片机在耐压测试仪中的应用［J］.工业控制计算机，2002，15(6).
［4］赖寿宏.微型计算机控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2002. ? 　　故障现象：电路在使用中出现通讯错误。检查51本身串口及8251工作皆正常，最后发现循环对6264进行读写操作时，间或出现错误。因为各串口通讯时，缓存的数据会存入6264。分析这可能是造成故障的根源。
　　进一步检查51和RAM6264之间工作的时序。根据ATMEL公司的器件手册，其写波形如下： 　　故障分析：现在大部分电路采用CMOS器件。而CMOS器件的门限电平(2.0～2.5V)和TTL电平(0.8～2.0V)不一样。89C52的ALE在输出时，下降沿有时会出现尖峰，而地址锁存芯片采用了74HCT373。由于两种电平判断的差异，ALE的毛刺将数据当地址重新锁存，造成错误。 ? 　　由于福禄克公司的199C示波表具有台式数字存储示波器的性能，200MHz的带宽，2.5GS/s的采样率；两个浮地隔离的输入通道；可用电池工作，体积小，重量轻，携带方便，故特别适合现场调试电路，查找故障。