電線電纜直流長時絕緣阻抗測試儀的研制

李向男，王會永，邢 力，于欽先，鄭海鵬，王 彬，包大勇

(1．山東檢驗檢疫技術(shù)中心，山東 青島 266002;2．青島歐盛電子科技有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

電線電纜直流長時絕緣阻抗［1］是 IEC 60227-5:2011《額定電壓450 V/750 V及以下聚氯乙烯絕緣電纜第5部分:軟電纜(軟線)》中，針對戶內(nèi)裝飾照明回路用軟線的新增試驗項目。而國內(nèi)現(xiàn)行有效的檢測標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5023．5-2008 等同采用 IEC 60227-5:2003，標(biāo)準(zhǔn)中無直流長時絕緣阻抗的相關(guān)要求。因此，研制電線電纜直流長時絕緣阻抗測試儀具有重要的現(xiàn)實意義。

戶內(nèi)裝飾照明回路用軟線［2］主要用于戶內(nèi)裝飾照明設(shè)備供電。為防止在長時間工作下的絕緣擊穿、絕緣表面破損等可能引起電擊和火災(zāi)的情況，戶內(nèi)裝飾照明設(shè)備的回路用線應(yīng)具備長時間工作下不易發(fā)生電擊穿的特性。

1 測試方法分析

IEC 60227-5:2011規(guī)定的測試方法為:從去掉外護(hù)層的電線上取長度為5 m的試樣。將電線浸入濃度為10 g/L、溫度為(60±5)℃的NaCl溶液，電線兩端留在溶液外的長度約為250 mm。將220 V的直流電負(fù)極連接到試樣的導(dǎo)體上，正極連接到一個浸入溶液的銅電極，測試時間為240 h。測試過程中，絕緣不發(fā)生擊穿。測試結(jié)束后，電線外表面無破損痕跡，絕緣的變色可以忽略。

根據(jù)IEC 60060-1:1989《高電壓試驗技術(shù)第1部分:一般定義和技術(shù)要求》第4章，對于高壓試驗結(jié)果的評定為:“試樣在施加相應(yīng)規(guī)定的試驗電壓和持續(xù)時間內(nèi)，無任何閃絡(luò)放電，或者試驗回路電流不隨時間而增大，則應(yīng)認(rèn)為試樣通過直流電壓試驗。如果在試驗期間內(nèi)出現(xiàn)電流急劇增加，甚至直流高壓發(fā)生器線路的開關(guān)跳閘，且試樣不可能再次耐受同樣的試驗電壓，則認(rèn)為試樣已擊穿?！备鶕?jù)IEC 60227-5:2011對直流長時絕緣阻抗測試方法的描述，本試驗的最終結(jié)果應(yīng)按IEC 60060-1:1989第4章的試驗結(jié)果評定方法進(jìn)行判定。

電介質(zhì)理論研究和實際應(yīng)用表明［3］:絕緣介質(zhì)的泄漏電流是隨溫度的變化而變化的，絕緣材料中的雜質(zhì)離子會隨溫度的升高加快運(yùn)動速度，使泄漏電流增大，絕緣性能降低。根據(jù)IEC 60227-5:2011第4．5節(jié)的規(guī)定，戶內(nèi)裝飾照明回路用軟線在70℃時要求的最小絕緣電阻為0．012 MΩ·km。根據(jù)試驗方法換算后，符合要求的軟線在70℃時的最大允許泄漏電流約為0.25 mA，而直流長時絕緣阻抗的試驗溫度為60℃。因此，進(jìn)行直流長時絕緣阻抗試驗時，符合要求的軟線泄漏電流不會超過0．25 mA。同時，考慮到進(jìn)行直流長時絕緣阻抗試驗時，試樣是浸泡在Nacl溶液中，一旦絕緣發(fā)生擊穿，泄漏電流會成幾何倍數(shù)迅速激增。因此，本文將泄漏電流的最大限值確定為10 mA。一旦超過該電流，測試儀會報警并切斷電源。

2 測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)

2．1 測試儀的基本原理及構(gòu)成

電線電纜直流長時絕緣阻抗測試儀主要由測試控制部分和人機(jī)交互部分組成，具體構(gòu)成模塊如圖1所示。

基于可靠性的考慮，測試儀采用嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)。數(shù)字波形發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過二階有源濾波器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過高保真的線性功放及高壓變換，可輸出同樣標(biāo)準(zhǔn)的正弦波高壓。交流高壓經(jīng)半波整流后輸出直流電壓。

圖1 測試儀主要構(gòu)成模塊示意圖Fig．1 Main component module of tester

系統(tǒng)采用測量電路與控制電路一體的嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。線性功放將模擬信號放大，輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波高壓。高壓整流模塊將交流電壓整流為測試用的直流電壓。電參數(shù)采樣模塊將采樣信號經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，輸送到單片機(jī)進(jìn)行處理;經(jīng)顯示及按鍵掃描，可編程接口與單片機(jī)建立聯(lián)系，并發(fā)出或接收相應(yīng)指令。

2．2 測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)

2．2．1 基于STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計

本文采用的單片機(jī)型號為STM32F103VET6。高頻的STM32處理器能夠確保系統(tǒng)處理信號的時效性和信號輸出的快速性［4］。單片機(jī)芯片配以必要的外部器件，如供電電源及電源開關(guān)、晶振、復(fù)位電路、輸入輸出電 路 等 構(gòu) 成 最 小 系 統(tǒng)［5-6］。本 文 基 于STM32F103VET6所設(shè)計的最小系統(tǒng)為測試控制的核心部分。本文采用8 MB外部晶振，晶振兩端連接12 pF電容作為晶振的啟動電容，連接8 MB的晶振電容容量為30 pF。

復(fù)位電路如圖2所示。

圖2 復(fù)位電路Fig．2 Reset circuit

R39為100 kΩ，連接電阻的選取沒有固定的要求。C49為濾波電容，采用104電容，以濾除系統(tǒng)脈沖，保護(hù)最小系統(tǒng)的正常工作。

為了實現(xiàn)單片機(jī)的正常工作，需要為單片機(jī)提供穩(wěn)定的供電電源。本文使用LM1117線性穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)提供穩(wěn)定的+3．3 V電源。通常供電電源都有小幅波動，本文采用大電容來濾除電源波動。

2．2．2 測試儀供電電源

本文電源電路輸出 ±12 VDC，采用 LM7812和LM7912三端穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)。LM7812和LM7912適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、外圍電路簡單、保護(hù)功能完善［7］。LM7805穩(wěn)壓集成電路輸出+5 V電壓，為測試儀可靠供電。

2．2．3 數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號放大

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。采用DAC0800LCM芯片，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的正弦波。DAC0800芯片［8］不需要程序轉(zhuǎn)換，只需按查找表方法查找數(shù)據(jù)，周期性賦值，容錯率高，經(jīng)過二階有源濾波器可產(chǎn)生正弦波，輸入到線性功放。

功率放大器［9］是輸出信號幅度與輸入信號幅度成正比的放大器，可以將輸入信號放大到需要功率電平。本文采用線性放大型功放電路，解決了困擾自耦調(diào)節(jié)及脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)功放的問題，實現(xiàn)了智能化控制、無觸點(diǎn)升壓、輸出波形失真度小、無尖峰毛刺，較大地提高了測試的可信度。

2．2．4 直流耐壓高壓輸出及采樣電路

數(shù)字波形發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過線性功放輸出到升壓器的初級，經(jīng)過升壓器的高壓變換輸出正弦波高壓。正弦波高壓經(jīng)整流濾波后輸出直流高壓。

在高壓輸出端進(jìn)行耐壓采樣，采樣電路如圖3所示。

圖3 采樣電路Fig．3 Sampling circuit

高壓輸出的HVOUT經(jīng)過R63和R60到地，在2個電阻之間VF為耐壓電壓的采樣點(diǎn)。在回路端RET選取AF為采樣點(diǎn)，經(jīng)過采樣電阻R64進(jìn)行絕緣阻抗采樣。采樣信號經(jīng)過運(yùn)算放大器，輸送到單片機(jī)進(jìn)行處理。

2．2．5 繼電器控制板

繼電器控制板用于切換多路直流耐壓，可以滿足多路同時測量的要求。選擇STC15F2K60S2單片機(jī)來控制繼電器工作。STC15F2K60S2單片機(jī)［10］是增強(qiáng)型8051單片機(jī)。與傳統(tǒng)51型單片機(jī)相比，該單片機(jī)內(nèi)核速度提升7～12倍，內(nèi)部RAM達(dá)到2 KB;新增一個16位自動重載定時器，可實現(xiàn)時鐘輸出;串口波特率設(shè)置也更加靈活，每個通用I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20 mA。該單片機(jī)還具有寬電壓，不怕電源抖動，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路和高精度R/C時鐘電路，并且擁有超低功耗。

本文使用了2個達(dá)林頓晶體管陣列ULN2004來控制6組12個繼電器驅(qū)動。其中所用到的+24 V電壓變壓器經(jīng)整流橋后濾波得到，+5 V電壓由78M05三端穩(wěn)壓器電路輸出。在單片機(jī)TXD和RXD兩端口，分別增加光耦進(jìn)行電路隔離，使電信號單向傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。

2．2．6 其他功能及電路設(shè)計

按鍵電路采用74HC573鎖存器連接10 kΩ電阻檢測按鍵情況。當(dāng)按鍵按下后，輸出電平是低電平0;當(dāng)按鍵抬起后，輸出電壓是高電平3．3 V。每一路按鍵都用一個電容來消除按鍵抖動，使按鍵電路更加穩(wěn)定。同時，使用三極管5551作為開關(guān)，用于控制合格、不合格指示燈和報警器。

顯示器選用1602M-02-3V3(藍(lán)膜)型LCD液晶顯示器。該LCD液晶顯示器具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等特點(diǎn)［11］。單片機(jī)控制LCD液晶顯示電路經(jīng)過2個74HC573鎖存器，分別控制LCD液晶的控制端和數(shù)據(jù)傳輸。

存儲電路主要用于存儲各種測試的設(shè)定值。采用24C04存儲芯片。24C04是Atmel公司的一款I(lǐng)2C串行EEPROM［12］。與傳統(tǒng)的EEPROM相比，24C04具有使用壽命長、讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)。

本文設(shè)計開發(fā)的測試儀具有遙控功能。遙控電路主要用于安全測試，可由測試人員遠(yuǎn)距離控制測試的啟停。

3 試驗測試

直流長時絕緣阻抗測試儀經(jīng)校準(zhǔn)合格后，對戶內(nèi)裝飾照明用軟線(型號為60227 IEC43，1×0．75 mm2)進(jìn)行了測試。試樣長度為5 m。試樣制備時，未損壞絕緣。將試樣置于水浴箱內(nèi)。水浴箱內(nèi)盛有濃度為10 g/L、溫度為60℃的NaCl溶液。試樣兩端留在溶液外的長度為250 mm。將220 V的直流電的負(fù)極連接到試樣的導(dǎo)體上，正極連接到浸入溶液的銅電極上，通過測試儀施加220 V直流電壓，測試時間為240 h。在規(guī)定的電壓下和持續(xù)時間內(nèi)，測試儀工作正常;試樣無任何閃絡(luò)放電，泄漏電流穩(wěn)定，測試儀未報警。由此證明，試驗通過。

4 結(jié)束語

本文研制了電線電纜直流長時絕緣阻抗測試儀。該測試儀采用嵌入式單片機(jī)控制，數(shù)字波形發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過二階有源濾波器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，經(jīng)過高保真的線性功放及高壓變換，輸出同樣標(biāo)準(zhǔn)的正弦波高壓，交流高壓經(jīng)半波整流后輸出直流電壓。測試儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高的特點(diǎn)，以及遙控啟停和多路測試的功能。采用測試儀，對戶內(nèi)裝飾照明用軟線進(jìn)行了試驗測試。測試結(jié)果表明，該測試儀能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可有效測試電線電纜長時直流阻抗。