客車線纜絕緣耐壓檢測系統研制

莫 楊 上海鐵路局合肥車輛段

1 設計原理

在外界激勵電壓作用下，通過介質或絕緣內部的電流主要由以下幾部分構成：

1.1 電容電流/幾何電流

因介質極化而產生，實際是以導體和外極（絕緣層）作為一對電極構成一個電器的電容電流，電容電流按指數規律隨時間很快地衰減，一般在數毫秒時間內接近消失（如圖1所示）。

圖1 絕緣測試電流變化過程

1.2 吸收電流

這部分電流主要是由于絕緣介質內部偶極子在電場作用下發生轉向極化（或稱之為松弛極化）所產生的電流，它隨著時間成負指數減小，但它比電容電流要慢得多，是一個絕緣體緩慢極化的過程，取決于絕緣體的結構、不均勻度以及電介質的性質。

1.3 泄露電流/電導電流

這是由于帶電絕緣介質中存在的自由離子和導電雜質在電場作用下遷移所產生的。由電介質在直流電場中的導電率所決定的，是一個純阻性電流。在電場強度不太高時符合歐姆定律，對應的電阻值是絕緣電阻的主要組成部分，是反映絕緣優劣的主要方面。因此，絕緣電阻就是指絕緣介質上施加的直流電壓U與泄漏電流I之間的比值R＝U/I。

絕緣體具有上述絕緣電阻的特點，反映出了材料的材質優劣，以及材料隨使用狀態變化而發生老化變質等現象的產生，從而為絕緣耐壓檢測系統的研制提出了理論條件。根據GB5023.3標準要求，規定在接通電流1 min時讀數，既保證了非泄漏電流大部分已消失，又使測量時間有了統一，使數值具有重復性和可比性。

2 系統實現

檢測系統包含主控機和250路無線通斷檢測器，以及分布式50路無線通斷檢測器三種設備。主控機組成結構見圖2。

圖2 主控機的組成結構

2.1 絕緣測試

絕緣檢測部分的核心為受控直流高壓模塊，產生用于線纜絕緣測試的高壓激勵信號。性能輸出可調0～1 000 VDC，電流輸出能力＞10 mA，兼容限流和短路保護功能。

其中，電源轉換模塊產生+24 VDC供直流升壓器使用。同時，計算機系統通過程序控制輸出0～5 V數字電壓信號，控制直流升壓器輸出0～1 000 VDC。

采用直流升壓器將電源轉換器產生的24 VDC低電壓轉換成為1 000 VDC高壓，為絕緣測試提供激勵信號。器件選型：天津海聲集團生產的DC高壓模塊。

2.2 耐壓測試

耐壓測試功能實現，由功放電源（M2-1）、功率放大器(M2-2)和升壓變壓器（M2-3）組成。由計算機系統控制D/A輸出卡構成的程控波形發生器，通過程序控制輸出幅值可變的50 HzAC信號，經過功率放大器放大，使得輸出電流能力達到2 A，再經過升壓變壓器將電壓從0升至最高2 500 VAC。

其中，子模塊包括：

（1）程控波形發生器：由研祥集團的PC104單板電腦和研祥104-32MF數據采集卡的D/A輸出口構成。考慮到設備故障等，為對板卡D/A輸出口保護，其輸出的模擬信號經光電耦合器與功放電路的輸入口相連，使其不共地，組成隔離耦合電路。

（2）功放雙極電源（M2-1）：從小余電子園采購成品應用。經主電源空氣開關，火線和零線兩個接線端子，由50 W的220 VAC轉±18 VDC變壓器、整流橋和濾波電容組成產生±24 VDC雙極電源給功放電路供電。

（3）功率放大器（M2-2）：功放電路使用LM3886TF功放套件（單片可放大至65 W），將頻率 50 Hz峰值范圍為0～±5 V正弦波形信號放大至有效值為0～25 V AC的信號，電流輸出能力達到2 A。

（4）升壓變壓器（M2-3）：把功放輸出的頻率 50 Hz，有效值為 0～25 VAC，電流輸出能力達到2 A的正弦波形信號升壓至0～2 500 VAC高壓激勵，電流輸出能力＞10 mA。考慮到220 VAC電源電壓波動等因素，變壓器原副邊匝數比留出1倍的余量為1：200；變壓器功率為50 W，可耐壓達4 000 VDC，此變壓器從南京潘登（變壓器）電氣訂做。

（5）自檢和保護：由程控波形發生器配合采樣電路實現對交流高壓模塊自檢和保護。采樣電路簡圖如圖3所示。

圖3 采樣電路簡圖

Rx為線纜電阻，Ro為標準電阻0，R1為標準電阻 1，R2為標準電阻 2，Ri為激勵內阻，Es為激勵源電壓。測得Ri內阻阻值，適當選取R1和R2電阻值（遠大于線纜電阻最大值10 MΩ，達到不影響主回路的效果）使R1端電壓峰值在5 V AC內并對其進行采樣，在不進行絕緣耐壓通斷功能測試的情況下，據公式U1＝(R1×Es)/(R1+R2+Ri)可經程序計算出Es的激勵源電壓值是否達到要求，完成自檢功能。

若電纜耐壓條件達不到要求，出現擊穿情況，線纜電阻Rx會小于其規定的最小值0.25 MΩ，則在被測線纜電阻<0.25 MΩ時，切斷耐壓功能切換繼電器斷開回路。實現保護功能。

2.3 功能切換和采樣模塊

功能切換模塊根據計算機系統的控制信號來選擇進行絕緣或者耐壓測試以及選擇需要檢測的通道。功能切換模塊具體包括：

2.3.1 繼電器驅動模塊

采用干簧式繼電器GRL-1201*52，符合耐壓、絕緣電阻要求并無漏電流，需要12 VDC驅動驅動電路采用芯片ULN2003A*8；功能是實現絕緣測試和耐壓測試的轉換。

2.3.2 檢測回路模塊

如圖3所示，主要包括兩個標準電阻R1（3 K）和R2（100 M），將R1兩端的電壓值通過D2和D3接口采樣并發送至計算機系統進行計算。

2.3.3 通道選擇及電壓采樣模塊

主要包括52個繼電器和一個標準電阻R0（300Ω），通過B50將外加高壓激勵加在繼電器一端，另一端通過高壓端子排并成一路輸出至R0一端，另一端并聯兩個功能選擇繼電器，然后通過接口輸出至高壓模塊。另外，采樣回路的高壓負極性端經過接口并在R0之后輸出至高壓模塊。

其中R1＝3 KΩ，R2＝100 MΩ，R0＝300 Ω為標準電阻，Rx為線纜絕緣電阻，電阻值為0.25 MΩ～10 MΩ，檢測回路分流為主回路的十分之一（注意：Ri為內阻，忽略不計）。

檢測回路的作用為消除干擾。

當沒有檢測回路時Rx＝Es×R0/u0-R0；有檢測回路時Rx＝u1×R0×(R1+R2)/(R1×u0)-R0，由于Es的波動范圍比較大，所以有檢測回路時Rx的值比較穩定，可以消除由Es波動而引起的干擾。

2.4 計算機系統模塊

計算機系統模塊功能：實現整個系統的軟件部分，對線纜絕緣耐壓通斷特性的檢測控制、數據采集處理和故障診斷分析，實現數據記錄、存儲、查閱，接口通訊，人機交互等。

計算機系統模塊組成包括：

（1）研祥PC104主板、40G數據存儲硬盤：研祥PC104主板采用型號EPIC單板電腦EC4-1712CLDNA，可運行XP系統，并附帶相關接口。性能規格：處理器：支持ULV Celeron-M 600～1.0 GHz/Pentium-M1.4 G CPU；芯片組：Intel852GM+ICH4；內存：板載512MB DDR內存；在板視頻：支持VGA、LVDS雙顯；在板LAN：1個10/100 Mbps以太網控制器；IDE控制器：1個44 Pin IDE接口，支持2個IDE設備；I/O接口：4個USB2.0接口，1個并口，1個PS/2鼠標/鍵盤接口，1個RS-232，1 個 RS-232/422/485，固態盤接口：1個CompactFlash接口；看門狗：256級，可編程秒/分，超時中斷或系統復位；硬件監測：監測CPU溫度、電壓、風扇速度；擴展總線：PC/104-Plus擴展總線；電源：+5V 供電，支持 AT／ATX 電源；可擴展工作溫度：-40℃～75℃；相對濕度：5%～90%，非凝結；功耗：典型功耗12W（ULV Celeron-M 600 CPU，512內

存）。

（2）研祥104-32MF數據采集卡：104-32MF 是一款集 AD、DA、DI、DO 于一體的功能超強PC104總線多功能數據采集卡，該卡提供了32路單端/16路差分的模擬量輸入通道、8路模擬量輸出通道和24路可編程DIO通道，有16 bit的高分辨率、250 kHz的高采樣率以及集成多功能。

（3）研祥 104-96IO 卡：104-96IO 是一款PC104總線的數字量卡，為用戶提供了可編程的96個TTL標準的輸入／輸出數字信號通道。適合于多數字量接口需求的用戶現場。

（4）觸摸顯示屏：觸摸屏顯示器選北京研信通科技有限公司的12.1"嵌入式平板顯示器YXT350-121。

3 試驗結果

本設備在25T DC600 V型車輛上進行了實際測試。

3.1 設備外觀

整機結構緊湊，界面友好，操作簡單，符合現場使用要求。

3.2 絕緣測試

試驗過程中，采用直流電壓從0 V緩慢增加到1 000 V，并檢測絕緣電阻的最小值。對比試驗采用搖表對同一測試對象進行檢測，并與本設備的檢測結果進行對比。測試結果見表1。

表1 絕緣測試結果

測試結論：該分布式線纜檢測系統能夠通過程序自動控制，產生0～1 000 V DC之間的激勵電壓，并正確檢測出多路線纜之間、線纜對地之間絕緣電阻，測試絕緣值精度較高，功能原理上滿足了使用要求。

3.3 耐壓測試

試驗過程中，采用交流電壓從0 V緩慢增加到2 500 VAC（根據實際的工況要求，改為 0～1 500 VAC），并檢測漏電流的最大值。測試結果見表2。

表2 耐壓測試結果

測試結論：該分布式線纜檢測系統能夠通過程序自動控制，產生0～2 500 VAC之間的激勵電壓，并正確檢測出多路線纜之間、線纜對地之間漏電流，以及判斷出耐壓狀態，功能原理上滿足了使用要求。

必須指出：

（1）在進行絕緣與耐壓測試時應把車上各回路的具有半導體元器件的在線設備與配線分離，避免高壓擊穿元器件。

（2）本系統測得的是各配線的綜合絕緣阻值，是作為快速處理配線絕緣故障的參考。