多路工頻交流耐壓試驗裝置設計

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)交流耐壓試驗不能同時測量多件被試品的問題，設計了多路工頻交流耐壓試驗裝置。該裝置采用數(shù)字電源、開關功放和干式升壓器、多路電壓輸出電流檢測和STM32單片機組成耐壓試驗系統(tǒng)。本文主要介紹了耐壓試驗原理，給出了部分電路和軟件設計。實驗表明，該裝置即可同時測量多件被試品，同時對人身安全起到了暴漲作用。

關鍵詞：交流耐壓試驗；裝置；數(shù)字調(diào)幅；開關功放

0 引言

耐壓試驗是指對各種電氣裝置、電氣儀表、絕緣材料及電氣工具承受電壓能力進行的測試；在不破壞絕緣材料性能的前提下，對絕緣材料施加高電壓，進而發(fā)現(xiàn)絕緣材料的缺陷。目前市場上所見的耐壓測試儀采用GB4706標準，使用較多的是臺式結構的單項測試指標測試儀器，采用的技術和所獲得的主要性能指標與國外先進水平具有一定差距，無法完全滿足目前發(fā)展的電氣安全性能測試工作的需要。因此研究符合最新國際標準的采用先進技術和具有更好性能指標的耐壓測試系統(tǒng)具有重要意義。

本文描述基于CPLD的數(shù)字式信號源、開關功放、干式變壓器升壓等模塊組建多表位耐壓試驗裝置，可同時進行多個被試品的測試，同時具備2倍頻耐壓試驗。在本系統(tǒng)中，采用藍牙通信技術進行數(shù)據(jù)交換，將操作人員與高壓設備進行隔離，保證人身安全，且滿足DL 474.4-92《現(xiàn)場絕緣試驗實施導則 交流耐壓試驗》和GB/T24243-2009工業(yè)機械電氣設備絕緣電阻試驗規(guī)范。

1 交流耐壓試驗原理及裝置總體設計

1.1 耐壓試驗原理

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

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

傳統(tǒng)的交流耐壓試驗典型電路如圖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，通過兩個分壓電容C1、C2用電壓表測量電壓、通過電流表測量漏電電流。

圖1 耐壓試驗接線原理

1.2 數(shù)字式耐壓試驗裝置總體設計

根據(jù)耐壓試驗的基本原理，數(shù)字式耐壓試驗裝置的總體結構框圖如圖2。

圖2 耐壓試驗裝置總體框圖

圖2中，PDA主要用于系統(tǒng)參數(shù)設置，通過藍牙模塊，向裝置送入輸出電壓有效值、耐壓試驗時間等；顯示各個表位漏電電流，并指示不合格設備位置。PDA以外的其他框圖是實驗裝置的主裝置，單片機機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，加載到不同被試品。

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

2 硬件模塊設計

2.1 波形輸出模塊設計

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信號由92.16KHz晶振經(jīng)分頻器產(chǎn)生，假設圖3中預置數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為X，則鎖相環(huán)的輸出fout 為：

3600進制計數(shù)器，以的頻率計數(shù)，同時輸出計數(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。

正弦信號輸出頻率為：

若=501，則

可見，本系統(tǒng)的頻率分辨率為0.1Hz。

2.2 信號幅值調(diào)整及功率放大模塊設計

存儲器輸出的正弦波數(shù)據(jù)送DAC0832輸出輸出對稱雙極性正弦波，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為存儲器中存放的是正弦波數(shù)據(jù)，該式表示存儲器連續(xù)輸出數(shù)據(jù)時，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，實現(xiàn)輸出電壓的控制。

功率放大采用鄭州華特測控新技術有限公司的WT-3030開關功率放大模塊，輸出電壓為100V，功率可達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，單片機只需要檢測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、電流檢測及過流保護電路設計

采用8路12位同步AD7606檢測升壓器輸出反饋電壓，以判斷輸出高壓大小，并進行調(diào)整，使輸出電壓幅值達到交流耐壓試驗所需的電壓；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，進行AD轉(zhuǎn)換，電流圖如圖5。

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

2.4 單片機與藍牙芯片接口電路設計

單片機與遙控器采用藍牙接口電路，以接受遙控器輸入數(shù)據(jù)以控制輸出電壓和試驗時間，接口電路如圖6。

初始化STM32單片機時，初始化順序為，初始化串口需要的GPIO，初始化串口USART_InitTypeDef，配置終端，是能串口。通過以上配置，單片機就可以通過串行通用收發(fā)器工作方式和外界進行數(shù)據(jù)交換。

3 軟件設計

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

根據(jù)相關標準要求，耐壓試驗電壓需要在一定時間內(nèi)達到設定值，本系統(tǒng)采用5秒內(nèi)升壓至耐壓試驗值；主裝置接收外部命令包括耐壓試驗電壓、耐壓試驗時間、漏電電流等信息；

試驗結束后，外部遙控給主裝置一試驗結束命令，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。

4 系統(tǒng)測試

選用標準電阻箱作為耐壓試驗被試品，用HP-34401A作為電壓、電流檢測儀表。控制輸出電壓升到設定值，按照最新電力行業(yè)標準DL 474.4-92，以不同高電壓施加在相同電阻上分別進行漏電流測試，測試結果表明，測量數(shù)據(jù)的重復性較好，漏電流的測試誤差為±（1.5%±0.05mA），滿足DL 474.4-92標準要求。

參考文獻

[1]卞曉亮.現(xiàn)場型絕緣安全工器具試驗平臺設計[J].電力與能源，2015，36（5）：725-728.

（作者單位：1.河南工程學院 電氣信息工程學院；2.河南工程學院 計算機學院）