一種數字多功能絕緣電阻測試儀的研究設計

陳才龍，張鐵平，趙碧誠，羅澤文

(中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發電廠，四川 寧南 615400)

在電力行業中，數字式兆歐表主要用于測量發電機、變壓器、互感器、電動機、電力電纜、避雷器等電氣設備的絕緣電阻，絕緣電阻測試能靈敏地反應被試設備的絕緣情況，能有效地發現設備局部或整體受潮和臟污，以及絕緣受損和嚴重過熱老化等缺陷[1-2]。

目前，在測量多芯電纜或母線等絕緣電阻時[3]，需要分別測量三相絕緣值(測試項目：A-BCE、B-ACE、C-ABE)，測試過程中，在每測試一相絕緣電阻結束后，需要將被測設備充分放電并倒換試驗接線測量下一相絕緣電阻。此測試方法需要在操作中頻繁對被試設備放電及倒換試驗接線，效率低下又耗時。本文針對此問題，研究設計一種數字式多功能絕緣電阻測試儀，在常規數字式兆歐表基礎上進行改進，即將被試設備三相端部通過試驗線引至測試儀器本體，數字式多功能絕緣電阻測試儀通過切換開關進行內部接線的切換，即可實現安全、快速、不倒換外部試驗接線測量被試設備三相絕緣電阻，以提高測試效率。

1 常規數字式兆歐表工作原理及測試方法

1.1 工作原理

常規數字式兆歐表其利用電子電路，采用DC/DC變換技術，產生直流高壓電源，施加在被試設備上[4]，采用電流電壓法測量原理，采集流經被試設備的電流并進行分析處理，再變換成相應的絕緣電阻值在顯示屏上顯示。數字式兆歐表的測量原理見圖1所示。

圖1中：Rx為等效被試設備的絕緣電阻；Ro為采樣電阻；Rm為用作限流和濾波的附加電阻；兩者組成采樣電路；Es表示高壓測試電源電勢；Ri為其等效內阻。測試電源輸出正端接E，負端接G，測量采樣電阻串接于G、L之間，L端鈕輸出負高壓，G的電位接近于負高壓。

圖1 常規數字式兆歐表原理圖

數字式兆歐表的工作過程為：經按鍵操作，啟動直流高壓電源給被測試設備供電，通過電阻分壓器取得電壓取樣信號，通過與被試設備串聯的電流取樣電阻得到電流信號，電流和電壓信號經信號處理，通過A/D 轉換裝置送入微處理器進行數據處理，并將處理結果傳送給顯示屏顯示，完成整個測量過程。測試原理如圖2框圖所示。

圖2 數字式兆歐表測試原理框圖

1.2 絕緣電阻測試方法

通過數字式兆歐表對三相電纜或母線的主絕緣進行絕緣電阻測試時[5]，應斷開被試設備的電源，拆除或斷開對外的一切連線，將被試設備充分放電，然后分別在每一相上進行測試，對一相進行試驗或測量時，其它兩相導體、金屬屏蔽或金屬套和鎧裝層一起接地，每測試完一相后，對被試設備放電，再依次重復上述過程完成測試。如圖3所示，需測量三相電纜或母線A相絕緣時，接線端子“E”與被試設備B、C相同時接地，接線端子“L”接至被試設備A相，測試結束后對被試設備A相充分放電，然后倒換試驗接線依次測量B、C相絕緣電阻值。

圖3 常規數字式兆歐表測試回路示意圖

2 數字式多功能絕緣電阻測試儀研究設計方案

2.1 設計方案

結合常規數字式兆歐表已有功能，設計方案如下：

將常規數字式兆歐表的“L”測試接線端分解為3個測試接線端“L1”、“L2”、“L3”，測試儀增加絕緣電阻測量切換開關。當需要測量多芯電纜或三相母線主絕緣電阻時，將測試儀“L1”、“L2”、“L3”測試接線端分別接至被試設備的A、B、C三相測試位置，測試儀“E”接線端接地，通過操作切換開關旋鈕切至“L1”檔位，測試儀內部通過繼電器控制開關轉換，此時“L1”端子為高壓輸出端，“L2”“L3”端子與“E”端子接通接至地端，即可測量A-BCE絕緣電阻，測試結束后儀器自動對被試設備A相充分放電。同理，通過操作切換開關即可測量B-ACE、C-ABE絕緣電阻。原理接線圖如圖4所示。

圖4 數字式多功能絕緣電阻測試儀設計方案示意圖

2.2 切換開關工作原理

如圖5所示給出了切換開關回路工作原理，Z1、Z2、Z3均為交換型繼電模塊，K1、K2、K3、N分別為單刀多制切換開關：

圖5 數字式多功能絕緣電阻測試儀切換回路圖

1)當單刀多制開關處在N觸點時，Z1、Z2、Z3均處于斷電狀態，此時繼電模塊Z1上的L1和E接通，繼電模塊Z2上的L2和E接通，繼電模塊Z3上的L3和E接通；

2)單刀多制開關處在K1觸點時，繼電模塊Z1處于通電狀態，繼電模塊Z1上的L1和E斷開，繼電模塊Z1上的L1和L接通，此時繼電模塊Z2、Z3均處于斷電狀態，繼電模塊Z2上的L2和E接通，繼電模塊Z3上的L3和E接通；

3)單刀多制開關處在K2觸點時，繼電模塊Z2處于通電狀態，繼電模塊Z2上的L2和E斷開，繼電模塊Z2上的L2和L接通，此時繼電模塊Z1、Z3均處于斷電狀態，繼電模塊Z1上的L1和E接通，繼電模塊Z3上的L3和E接通；

4)單刀多制開關處在K3觸點時，繼電模塊Z3處于通電狀態，繼電模塊Z3上的L3和E斷開，繼電模塊Z3上的L3和L接通，此時Z1、Z2均處于斷電狀態，繼電模塊Z1上的L1和E接通，繼電模塊Z2上的L2和E接通。

3 數字式多功能絕緣電阻測試儀研制及測試情況

基于前期可行性分析研究的基礎上，將該研究設計付諸于實際，根據功能邏輯及設計方案，對常規數字式兆歐表成品進行了改進，增加了內部切換裝置，并完成裝配和調試，研制出一種數字式多功能絕緣電阻測試儀。

與常規數字式兆歐表測試數據進行了對比，其試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據對比表

通過對比試驗數據發現，常規數字式兆歐表與數字式多功能絕緣電阻測試儀試驗數據無明顯差距，其測量功能及測量精度均能滿足要求，滿足《電力設備預防性試驗規程》相關要求。

通過試驗論證，數字式多功能絕緣電阻測試儀通過切換開關控制繼電器進行內部接線的切換，即可實現安全高效、不倒換外部試驗接線測量被試設備三相絕緣電阻，且測量值精度能滿足要求，同時還保留了數字式絕緣電阻測試儀的常規測試功能，通用性高，易于推廣。但存在一個問題需后續解決，即絕緣電阻測試儀內部接線切換裝置承受高壓的同時又需要接地，對測量精度的影響。

4 結 語

本文介紹了常規數字式兆歐表工作原理及測試方法，分析了實際工作過程中存在的問題，并根據問題導向，研究設計了一種數字式多功能絕緣電阻測試儀，通過增加內部切換開關回路，實現安全、快速、不倒換外部試驗接線即可精確測量被試設備三相絕緣電阻，并保留了常規測試功能。其改進可使電力行業運維人員在進行電力設備相關絕緣電阻測量試驗時簡潔高效、安全可靠[6]，后續將針對遺留問題深入研究解決。該研究設計方案對推動數字式絕緣電阻測試儀功能升級換代具有一定意義。