多路工頻交流耐壓試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

肖海紅　張黎爍　杜浩　陳連浩　朱廣源　張斌磊

摘 要：為解決傳統(tǒng)交流耐壓試驗(yàn)不能同時(shí)測(cè)量多件被試品的問題，設(shè)計(jì)了多路工頻交流耐壓試驗(yàn)裝置。該裝置采用數(shù)字電源、開關(guān)功放和干式升壓器、多路電壓輸出電流檢測(cè)和STM32單片機(jī)組成耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)。本文主要介紹了耐壓試驗(yàn)原理，給出了部分電路和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置即可同時(shí)測(cè)量多件被試品，同時(shí)對(duì)人身安全起到了暴漲作用。

關(guān)鍵詞：交流耐壓試驗(yàn)；裝置；數(shù)字調(diào)幅；開關(guān)功放

0 引言

耐壓試驗(yàn)是指對(duì)各種電氣裝置、電氣儀表、絕緣材料及電氣工具承受電壓能力進(jìn)行的測(cè)試；在不破壞絕緣材料性能的前提下，對(duì)絕緣材料施加高電壓，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)絕緣材料的缺陷。目前市場(chǎng)上所見的耐壓測(cè)試儀采用GB4706標(biāo)準(zhǔn)，使用較多的是臺(tái)式結(jié)構(gòu)的單項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)測(cè)試儀器，采用的技術(shù)和所獲得的主要性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平具有一定差距，無法完全滿足目前發(fā)展的電氣安全性能測(cè)試工作的需要。因此研究符合最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的采用先進(jìn)技術(shù)和具有更好性能指標(biāo)的耐壓測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。

本文描述基于CPLD的數(shù)字式信號(hào)源、開關(guān)功放、干式變壓器升壓等模塊組建多表位耐壓試驗(yàn)裝置，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)被試品的測(cè)試，同時(shí)具備2倍頻耐壓試驗(yàn)。在本系統(tǒng)中，采用藍(lán)牙通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將操作人員與高壓設(shè)備進(jìn)行隔離，保證人身安全，且滿足DL 474.4-92《現(xiàn)場(chǎng)絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 交流耐壓試驗(yàn)》和GB/T24243-2009工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備絕緣電阻試驗(yàn)規(guī)范。

1 交流耐壓試驗(yàn)原理及裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 耐壓試驗(yàn)原理

耐壓測(cè)試的基本原理是將高于正常工作電壓的電壓加在被測(cè)設(shè)備的絕緣體上，持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間。如果一個(gè)被測(cè)設(shè)備絕緣體在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，絕緣體內(nèi)部漏電電流保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以確定這個(gè)被測(cè)設(shè)備可以在正常的運(yùn)行條件下安全運(yùn)行。

DL 474.4-92《現(xiàn)場(chǎng)絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 交流耐壓試驗(yàn)》規(guī)定，耐壓試驗(yàn)電壓是以兩倍被測(cè)物的工作電壓再加1000V作為測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)電壓。部分產(chǎn)品的測(cè)試電壓可能高于這一規(guī)定值。測(cè)試電壓必須在5s內(nèi)逐漸地上升到所要求的試驗(yàn)電壓值，保證試驗(yàn)電壓值穩(wěn)定加在被測(cè)絕緣體上不少于5s，此時(shí)所測(cè)回路的漏電流值與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的泄漏電流閾值相比較，就可以判斷被測(cè)產(chǎn)品的絕緣性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)束后，試驗(yàn)電壓必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)逐漸地降至零。

傳統(tǒng)的交流耐壓試驗(yàn)典型電路如圖1。

圖1中，自耦調(diào)壓器將輸出的電壓通過限流電阻R加載到被試品上的A、B兩端，通過兩個(gè)分壓電容C1、C2用電壓表測(cè)量電壓、通過電流表測(cè)量漏電電流。

圖1 耐壓試驗(yàn)接線原理

1.2 數(shù)字式耐壓試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

根據(jù)耐壓試驗(yàn)的基本原理，數(shù)字式耐壓試驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2 耐壓試驗(yàn)裝置總體框圖

圖2中，PDA主要用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，通過藍(lán)牙模塊，向裝置送入輸出電壓有效值、耐壓試驗(yàn)時(shí)間等；顯示各個(gè)表位漏電電流，并指示不合格設(shè)備位置。PDA以外的其他框圖是實(shí)驗(yàn)裝置的主裝置，單片機(jī)機(jī)STM32控制CPLD輸出一定頻率、幅值的交流電，該交流電經(jīng)功率放大、升壓輸出多路高壓信號(hào)，加載到不同被試品。

升壓器采用干式升壓器，單片機(jī)控制波形在一定時(shí)間內(nèi)從最小達(dá)到最大輸出電壓，干式變壓器采用100V/100V/10KV模式，單片機(jī)通過對(duì)輸出100V電壓檢測(cè)，控制高壓大小，通過每路電流檢測(cè)，判斷漏電電流是否合格。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 波形輸出模塊設(shè)計(jì)

本裝置采用數(shù)字波形輸出、數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字變頻，電路原理框圖如圖3。

圖中360Hz信號(hào)由92.16KHz晶振經(jīng)分頻器產(chǎn)生，假設(shè)圖3中預(yù)置數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為X，則鎖相環(huán)的輸出fout 為：

3600進(jìn)制計(jì)數(shù)器，以的頻率計(jì)數(shù)，同時(shí)輸出計(jì)數(shù)狀態(tài)到外部引EPROM的地址，EEPROM輸出的數(shù)據(jù)供D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為正弦信號(hào)。

正弦信號(hào)輸出頻率為：

若=501，則

可見，本系統(tǒng)的頻率分辨率為0.1Hz。

2.2 信號(hào)幅值調(diào)整及功率放大模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器輸出的正弦波數(shù)據(jù)送DAC0832輸出輸出對(duì)稱雙極性正弦波，電路圖如圖4（a），正弦波幅度調(diào)整及功率放大電路如圖4（b）， 功率放大電路采用低頻功放模塊。

D0為單片機(jī)向0832輸出的8位數(shù)據(jù)，范圍為0-255，VREF的變化范圍為0-Vcc..

圖4（a）的輸出為：

（2）

D1為存儲(chǔ)器中存放的是正弦波數(shù)據(jù)，該式表示存儲(chǔ)器連續(xù)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，DAC0832輸出正弦波，變化范圍為-VREF-+VREF。

從公式（1）、（2）看出，圖4（a）輸出正弦波的幅度由單片機(jī)向圖4（b）中DAC0832所輸入的數(shù)據(jù)確定，通過控制D0的大小，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。

功率放大采用鄭州華特測(cè)控新技術(shù)有限公司的WT-3030開關(guān)功率放大模塊，輸出電壓為100V，功率可達(dá)1000W。保證了低功耗和工作的可靠性。

升壓電路采用武漢智能星GTB系列100V/100V/10KV升壓器，單片機(jī)只需要檢測(cè)100V輸出電壓的大小，便可知道輸出高壓大小。

終上所述，本電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)幅和數(shù)字波形輸出功能。

2.3 電壓、電流檢測(cè)及過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

采用8路12位同步AD7606檢測(cè)升壓器輸出反饋電壓，以判斷輸出高壓大小，并進(jìn)行調(diào)整，使輸出電壓幅值達(dá)到交流耐壓試驗(yàn)所需的電壓；在裝置的每路耐壓輸出電源線串一小電流互感器采樣電流信號(hào)，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，電流圖如圖5。

電壓檢測(cè)采用電阻分壓方式，電流檢測(cè)采用小電流的霍爾傳感器檢測(cè)，取樣的電壓信號(hào)經(jīng)濾波放大后，轉(zhuǎn)換為直流有效值信號(hào)。

2.4 單片機(jī)與藍(lán)牙芯片接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)與遙控器采用藍(lán)牙接口電路，以接受遙控器輸入數(shù)據(jù)以控制輸出電壓和試驗(yàn)時(shí)間，接口電路如圖6。

初始化STM32單片機(jī)時(shí)，初始化順序?yàn)椋跏蓟谛枰腉PIO，初始化串口USART_InitTypeDef，配置終端，是能串口。通過以上配置，單片機(jī)就可以通過串行通用收發(fā)器工作方式和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 軟件設(shè)計(jì)

主裝置軟件采用C語言設(shè)計(jì)，主要完成接收命令、升壓控制、電壓電流檢測(cè)及數(shù)據(jù)上傳等功能，流程圖如圖7。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，耐壓試驗(yàn)電壓需要在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，本系統(tǒng)采用5秒內(nèi)升壓至耐壓試驗(yàn)值；主裝置接收外部命令包括耐壓試驗(yàn)電壓、耐壓試驗(yàn)時(shí)間、漏電電流等信息；

試驗(yàn)結(jié)束后，外部遙控給主裝置一試驗(yàn)結(jié)束命令，本裝置將在5秒內(nèi)將電壓降至0，并等待下批次耐壓試驗(yàn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

選用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱作為耐壓試驗(yàn)被試品，用HP-34401A作為電壓、電流檢測(cè)儀表。控制輸出電壓升到設(shè)定值，按照最新電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL 474.4-92，以不同高電壓施加在相同電阻上分別進(jìn)行漏電流測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好，漏電流的測(cè)試誤差為±（1.5%±0.05mA），滿足DL 474.4-92標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]卞曉亮.現(xiàn)場(chǎng)型絕緣安全工器具試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電力與能源，2015，36（5）：725-728.

（作者單位：1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院；2.河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院）