智能化絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張寧

（商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘476000）

電子設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于環(huán)境、故障或者誤操作等原因，會(huì)發(fā)生過電壓現(xiàn)象。有些設(shè)備甚至在其正常工作狀態(tài)中，包括瞬時(shí)的高壓脈沖也會(huì)發(fā)生過電壓現(xiàn)象。為保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，必須按照高電壓試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)這些電子設(shè)備和構(gòu)成電子設(shè)備的電子元器件進(jìn)行絕緣性能評(píng)估。

筆者針對(duì)電子設(shè)備高電壓試驗(yàn)的實(shí)際需求，結(jié)合電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)智能化電子設(shè)備絕緣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1 系統(tǒng)概述

智能化電子設(shè)備絕緣檢測(cè)系統(tǒng)采用ATmega16單片機(jī)作為主控芯片。其最小系統(tǒng)包括：1）5 V工作電源；2）電容電感串連構(gòu)成的帶延時(shí)硬件復(fù)位電路；3）16 M外部有源時(shí)鐘；4）6線JTAG在線仿真接口。ATmega16單片機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和豐富的片上集成功能，使其能滿足智能化電子設(shè)備絕緣檢測(cè)系統(tǒng)幾乎所有的功能需求。為絕緣檢測(cè)系統(tǒng)提供算法支持，對(duì)整個(gè)絕緣檢測(cè)過程進(jìn)行監(jiān)控。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控模塊與系統(tǒng)其他功能模塊的連接關(guān)系，其中高壓直流生成模塊沿用開關(guān)電源設(shè)計(jì)思路，采用交－直－交－直方式，最終輸出試驗(yàn)所需的直流高電壓。該模塊包括以下幾個(gè)子模塊：1）PWM 波發(fā)生器；2） 光電隔離；3）MOS管驅(qū)動(dòng)；4）半橋逆變電路；5）脈沖變壓器；6）倍壓整流電路。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of system

相比于傳統(tǒng)電力工程中的高電壓試驗(yàn)，針對(duì)電子設(shè)備及元器件的高電壓試驗(yàn)有其自身的特點(diǎn)：1）測(cè)試電壓相對(duì)較低，基本在3 kV以下；2）由于電子設(shè)備及元器件本身的高敏感度，測(cè)試精度要求更高；3）由于電子設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)測(cè)試設(shè)備的智能化要求更高。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

絕緣檢測(cè)系統(tǒng)主要的工作流程如圖2所示。

通過外接鍵盤，對(duì)絕緣測(cè)試的各參數(shù)，包括上限電壓、擊穿電流和升壓步長等進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)由鍵盤掃描程序，將設(shè)定值存儲(chǔ)于相關(guān)寄存器，供主程序調(diào)用及處理。

各初始化參數(shù)、當(dāng)前工作狀態(tài)及試驗(yàn)結(jié)果等，經(jīng)由顯示程序，直觀地顯示于外部LCM，使操作者適時(shí)掌握試驗(yàn)狀態(tài)。系統(tǒng)中PWM波發(fā)生器由ATmega16片上自帶的兩路8位PWM波發(fā)生器構(gòu)成，通過對(duì)單片機(jī)編程，可以設(shè)定其生成的PWM波的頻率、脈寬和相位等參數(shù)。光電隔離模塊將單片機(jī)5 V控制信號(hào)轉(zhuǎn)換位波形相同的15 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)由專用MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)設(shè)定占空比為16%，外界3 V直流逆變?cè)?，兩路互鎖MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of system

圖3 兩路MOS管信號(hào)Fig.3 Signal of two MOS

它對(duì)逆變電橋進(jìn)行控制，生成高頻脈沖交流源，輸入到脈沖變壓器原邊。變壓器原邊輸入波形如圖4所示。

圖4 變壓器原邊輸入波形Fig.4 Waveform of transformer primary side input

脈沖變壓器副邊輸出幅值較高的脈沖交流電壓，經(jīng)倍壓整流電路整流濾波，可得穩(wěn)定性很高的直流高壓電源。如圖5所示。

圖5 五倍壓整流濾波的輸出波形Fig.5 Waveform of the voltage rectifier five timesoutput

傳統(tǒng)絕緣測(cè)試系統(tǒng)大多采用傳感器作為數(shù)據(jù)采集的前端，使得采樣精度受到傳感器本身參數(shù)的限制，采樣誤差中不可避免地包含傳感器本身的測(cè)試誤差。

本系統(tǒng)直接采用ADC公司的高性能儀表運(yùn)算放大器作為采樣環(huán)節(jié)，省去了傳感器環(huán)節(jié)。將待測(cè)件與小阻值精密電阻串連，采用ADI公司高性能儀表運(yùn)算放大器取樣精密電阻兩端的分壓值，輸入到ATmega16片上自帶的10位精度A/D轉(zhuǎn)換器中，可算得測(cè)試回路的漏電流值。進(jìn)而算出在當(dāng)前電壓值下的絕緣電阻值。主控芯片可依據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊的輸出結(jié)果，判斷待測(cè)件是否已經(jīng)擊穿，并以此作為反饋，構(gòu)成閉環(huán)，提高電源生成模塊的穩(wěn)定性和可控性。

在非破壞性試驗(yàn)中，保護(hù)電路主要對(duì)待測(cè)件起到保護(hù)作用；在破壞性試驗(yàn)中，該電路主要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)本身起到保護(hù)作用。當(dāng)絕緣擊穿發(fā)生時(shí)，主控芯片經(jīng)用采樣電路獲得反饋，斷開低壓直流逆變?cè)矗沟帽秹赫髂K失去能量供給，僅由電容存儲(chǔ)的能量進(jìn)行放電。串連于測(cè)試回路功率電阻則在測(cè)試件絕緣電阻驟減時(shí)起到限流的作用，對(duì)測(cè)試件及系統(tǒng)本身進(jìn)行保護(hù)。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，搭建實(shí)際絕緣測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)多種電子設(shè)備進(jìn)行絕緣評(píng)估試驗(yàn)，具體指標(biāo)為：

1）主控芯片工作主頻16 MHz，逆變電路工作頻率32 kHz；

2）輸出電壓可以在10～100 V和100～2 000 V兩個(gè)量程之間連續(xù)可調(diào)；

3）輸出電流 0～10 μA；

4）電流采樣分辨率 0.5 μA；

升壓過程中，系統(tǒng)輸出電壓變化速率可調(diào)，波形平穩(wěn)。測(cè)試過程中，采樣頻率高，響應(yīng)時(shí)間快。擊穿發(fā)生時(shí)，能迅速觸發(fā)保護(hù)。人機(jī)界面友好，自動(dòng)化程度高。自帶通訊接口，與上位機(jī)通訊穩(wěn)定，拓展性好，智能化程度高。

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