一種軍用裝備電氣安全檢定儀的研制

江玉柱，井 賽

一種軍用裝備電氣安全檢定儀的研制

江玉柱，井 賽

目的：研制一種軍用裝備電氣安全檢測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)檢定儀多參數(shù)集成、數(shù)據(jù)檢測(cè)處理自動(dòng)化等功能。方法：采用模塊化設(shè)計(jì)思路，使用MC68HC11E1CP2微控制器為主控CPU，提高檢定儀數(shù)據(jù)采集、控制和處理效果。結(jié)果：研制的樣機(jī)便攜堅(jiān)固，人機(jī)交互性強(qiáng)。通過裝置性能的不確定度性能驗(yàn)證，數(shù)據(jù)重復(fù)性、穩(wěn)定性好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)。結(jié)論：保證了裝備使用、維修過程中的電氣安全，降低了觸電、漏電等事故的發(fā)生率，確保了裝備的性能和使用者的安全。

軍用裝備；電氣安全；檢定儀

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)大規(guī)模使用電子裝備，裝備的使用、維護(hù)、檢修、調(diào)試離不開各類檢測(cè)儀表，電氣安全檢定儀就是其中重要的檢測(cè)裝置，對(duì)保證設(shè)備性能和使用者的安全至關(guān)重要。隨著大量電子裝備的不斷配裝，廣大官兵接觸電氣設(shè)備的機(jī)會(huì)隨之增多，安全事故在裝備使用中時(shí)有發(fā)生。如裝備故障、操作不當(dāng)、環(huán)境潮濕鹽澤等因素都可能引發(fā)電擊傷等事故，輕者發(fā)熱發(fā)麻、肌肉抽搐，重者人體燒傷、甚至死亡，這在一定程度上影響了軍用電子裝備的正常使用。為了有效排除設(shè)備安全隱患，防止各類電氣安全事故的發(fā)生，有必要對(duì)裝備的電氣安全性能進(jìn)行檢測(cè)。

目前，市面上能夠用于電氣安全性能測(cè)試的設(shè)備包括泄漏電流測(cè)試儀、絕緣電阻測(cè)試儀和接地電阻測(cè)試儀等，但每種設(shè)備測(cè)試參數(shù)單一，設(shè)備之間功能相對(duì)獨(dú)立，尚無多參數(shù)、小型化、輕量化，適用于野戰(zhàn)環(huán)境的軍用電氣安全檢測(cè)儀[1-5]。因此，設(shè)計(jì)多參數(shù)、智能化，適用于平戰(zhàn)時(shí)電氣安全性能檢測(cè)的專用儀器具有重要應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

根據(jù)GB/T 5226.1—1996《工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備通用技術(shù)條件》以及GJB/Z 94—1997《軍用電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)手冊(cè)》的相關(guān)要求，本文著重對(duì)其“防電擊危險(xiǎn)”部分進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)研制了用于檢測(cè)軍用電子裝備保護(hù)接地電阻、絕緣阻抗、漏電流大小等參數(shù)的電氣安全性能檢測(cè)裝置。通過以上3項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)，能夠較全面地反映電子裝備的電氣安全性能，為消除裝備使用中的電氣安全隱患、防止觸電事故發(fā)生提供技術(shù)手段，可用于電子裝備平戰(zhàn)時(shí)的檢測(cè)維護(hù)，以及接地、絕緣等電氣安全保護(hù)措施的效果檢驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)漏電流檢測(cè)模塊、保護(hù)接地電阻檢測(cè)模塊和絕緣阻抗檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)信號(hào)采集、控制電路，對(duì)各模塊產(chǎn)生的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，通過繼電器的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)通道選擇，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、CPU處理和LCD顯示，完成模塊功能的整合，最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)電氣安全性能參數(shù)的檢測(cè)。

1.2 研究方案

（1）針對(duì)漏電流、保護(hù)接地電阻、絕緣阻抗3項(xiàng)電氣安全性能參數(shù)，通過模塊化的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的檢測(cè)模塊功能。

（2）通過信號(hào)采集端口、控制電路、模擬信號(hào)處理單元、A/D轉(zhuǎn)換、CPU處理和LCD顯示功能的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊功能的整合、檢測(cè)信號(hào)的處理和檢測(cè)結(jié)果的顯示。

（3）通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)不確定度的評(píng)定以及重復(fù)性、穩(wěn)定性的測(cè)試，確定該裝置參數(shù)檢測(cè)精度，并驗(yàn)證裝置的整機(jī)性能。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 漏電流檢測(cè)模塊

漏電流參數(shù)可分為對(duì)地漏電流和外殼漏電流，前者是指流過保護(hù)接地導(dǎo)線的電流，后者是指從外殼流向接地端的電流。

2.1.1 模塊功能

一方面，用于檢測(cè)漏電流的大?。涣硪环矫?，根據(jù)國(guó)家或軍用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)漏電流測(cè)量的要求，通過繼電器控制轉(zhuǎn)換，模擬正常、電源極性反相、零線（火線）斷開、保護(hù)接地線斷開、零線（火線）斷開并電源極性反相，以及地線斷開并電源極性反相共6種設(shè)備工作狀態(tài)，測(cè)量不同狀態(tài)下的漏電流大小[6]。

2.1.2 檢測(cè)原理

測(cè)量對(duì)地漏電流時(shí)，將測(cè)試裝置接在保護(hù)接地端和墻壁接地端之間；測(cè)量外殼漏電流時(shí)，將測(cè)試裝置接在接地端與保護(hù)接地外殼的每個(gè)部分之間。利用檢測(cè)裝置內(nèi)部的人體模擬電路（如圖1所示）測(cè)量對(duì)地漏電流值，由于對(duì)于直流、交流及頻率小于或等于1 MHz的復(fù)合波形必須加上約1 kΩ的阻性阻抗，因此，人體模擬電路中，R1=10×（1±5%）kΩ，R2=1×（1±1%）kΩ，C1=0.015×（1±5%）μF。

圖1 測(cè)試裝置（MD）電路

檢測(cè)裝置通過控制各個(gè)繼電器開關(guān)實(shí)現(xiàn)被檢裝備正常或單一故障等6種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，圖2為零線（火線）斷開并電源極性反相狀態(tài)下測(cè)量對(duì)地漏電流原理圖，開關(guān)S1控制電源線的開斷狀態(tài)，開關(guān)S2設(shè)置電源極性為正常和極性反相2個(gè)狀態(tài)，從而完成各種狀態(tài)下漏電流檢測(cè)。

2.2 保護(hù)接地電阻檢測(cè)模塊

2.2.1 模塊功能

該模塊由測(cè)試電源、測(cè)試電路組成。測(cè)試電源能夠提供50 Hz、空載電壓不超過6 V的電壓，產(chǎn)生10～ 25 A的電流，并能夠保持5～10 s；測(cè)試電路將從被測(cè)設(shè)備獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)處理[7]。

2.2.2 測(cè)量原理

如圖3所示，產(chǎn)生25 A或1.5倍于被測(cè)裝備的額定電流，取兩者較大者，在5～10 s的時(shí)間內(nèi)，使電流在保護(hù)接地端子、設(shè)備電源輸入插口保護(hù)接地連接點(diǎn)或電網(wǎng)電源插頭的保護(hù)接地腳，與可能帶電的可觸及金屬部件之間流通，測(cè)量上述有關(guān)部分之間的電壓，根據(jù)電流和電壓確定保護(hù)接地電阻的大小。

圖2 零線（火線）斷開并電源極性反相狀態(tài)下測(cè)量對(duì)地漏電流原理

圖3 保護(hù)接地電阻測(cè)量原理

2.3 絕緣阻抗檢測(cè)模塊

2.3.1 功能設(shè)計(jì)

能夠提供500 V直流電壓，通過一個(gè)限流電阻檢測(cè)被檢裝備的帶電部件到外殼間的絕緣阻抗。

2.3.2 測(cè)量原理

測(cè)量可觸及部件絕緣阻抗原理如圖4所示，檢測(cè)裝置在被檢設(shè)備的電源線和保護(hù)接地端子之間產(chǎn)生測(cè)試高壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣阻抗的檢測(cè)。

2.4 模塊功能的整合

檢定儀通過儀器面板的信號(hào)采集端口、控制電路和LCD顯示單元，以及主機(jī)內(nèi)部的模擬信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換和CPU處理單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電氣安全性能檢測(cè)的整機(jī)功能（如圖5所示）。

各單元功能如下：信號(hào)采集端口用于連接檢測(cè)表筆及被檢裝備的電源插頭；控制電路用于檢測(cè)參數(shù)的選擇控制以及被檢裝備工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；模擬信號(hào)處理單元能夠?qū)νㄟ^各檢測(cè)模塊采集的信號(hào)進(jìn)行分配控制等預(yù)處理；信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；采用MC68HC11E1CP2微控制器作為CPU進(jìn)行數(shù)字處理；選用LCD進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果的顯示。

圖4 可觸及部件絕緣阻抗測(cè)量原理

圖5 電氣安全檢定儀功能結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 漏電流和保護(hù)接地電阻的不確定度評(píng)定

本裝置的主要測(cè)量參數(shù)為保護(hù)接地電阻、漏電流和絕緣阻抗等。由于絕緣阻抗的測(cè)試沒有合適的被測(cè)件，所以對(duì)其不確定度暫不作評(píng)定。

3.1.1 對(duì)地漏電流不確定度評(píng)定

由于對(duì)地漏電流在0～100 μA測(cè)量范圍內(nèi)最大允許誤差為±（2%量程+1）[8]，按均勻分布，則

此不確度分量為

對(duì)地漏電流測(cè)量重復(fù)性所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

以上各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

則擴(kuò)展不確定度U=kuC=4.0%（k=2）。

3.1.2 保護(hù)接地電阻不確定度評(píng)定

由于保護(hù)接地電阻在0～500 mΩ范圍內(nèi)，保護(hù)接地電阻最大允許誤差不超過讀數(shù)的±5%，按均勻分布，此不確定度分量為

保護(hù)接地電阻測(cè)量重復(fù)性所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

以上各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

則擴(kuò)展不確定度U=kuC=6.0%（k=2）。

3.2 重復(fù)性、穩(wěn)定性驗(yàn)證

3.2.1 重復(fù)性驗(yàn)證

選擇一臺(tái)電氣裝備作為被檢設(shè)備，重復(fù)檢測(cè)對(duì)地漏電流、保護(hù)接地電阻等參數(shù)6次（只登記對(duì)地漏電流檢測(cè)結(jié)果，其他參數(shù)與此相似，不再?gòu)?fù)述），測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 對(duì)地漏電流檢測(cè)結(jié)果

用觀測(cè)值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差S6（I）表征其測(cè)量重復(fù)性，計(jì)算如下：

3.2.2 穩(wěn)定性驗(yàn)證

檢測(cè)裝置開機(jī)預(yù)熱0.5 h以上，對(duì)地漏電流測(cè)量條件：正常供電，且零線火線不反相。對(duì)漏電流值檢測(cè)6次，用檢測(cè)值的平均值Ii作為一次觀測(cè)結(jié)果，每隔1個(gè)月以上觀測(cè)1次，共測(cè)量4次，用4次觀測(cè)值Ii的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sm（I）定量表征所選參數(shù)測(cè)試的穩(wěn)定性[8]，考察結(jié)果見表2。

表2 對(duì)地漏電流檢測(cè)結(jié)果

（????）（????）

根據(jù)表2，4次測(cè)量的平均值為

Development of electrical safety verification instrument for military equipment

JIANG Yu-zhu,JING Sai
（Institute for Drug and Instrument Control,Joint Logistics Department of Jinan Military Area Command,Jinan 250022,China）

To develop an instrument for military equipment electrical safety test with integrated multi parameters and automatic data detection processing.Modular design was used to improve the verification instrument for data acquisition,control and procession,with MC68HC11E1CP2 micro-controller as the master CPU.The prototype behaved well in portability,robustness and man-machine interaction.The uncertainty test of the equipment proved that the data were gifted with high repeatability and stability,with the desired requirements satisfied.The electrical safety of the equipment is guaranteed during utilization and maintenance,with the incidence of electric shock or leakage decreased.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：15-17，72]

military equipment;electrical safety;verification instrument

R318.6；TB937；TH789

A

1003-8868（2014）12-0015-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.015

江玉柱（1965—），男，副所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，主要從事軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量的研究與管理工作，E-mail：jyz91572@sina.com。

250022濟(jì)南，濟(jì)南軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所（江玉柱，井 賽）