多芯電纜絕緣電阻檢測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 誠(chéng)，高 甲，李林芳，趙 宇，高 騰

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河 661100；2.西安雙英科技股份有限公司，陜西 西安 710075）

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，多芯電纜作為電能和控制信號(hào)傳輸?shù)妮d體，在大型設(shè)備領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。通常電纜處于濕熱易腐等復(fù)雜環(huán)境中，同時(shí)在對(duì)其鋪設(shè)過(guò)程中易受外力影響造成線纜自身絕緣損壞，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的產(chǎn)生。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在大型設(shè)備領(lǐng)域中因電纜失效導(dǎo)致系統(tǒng)故障約占20%左右，因此多芯電纜的可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響。本文針對(duì)絕緣電阻檢測(cè)的需求，采用微處理器和CAN總線的方式對(duì)電纜進(jìn)行絕緣檢測(cè)，具有自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多根電纜同時(shí)檢測(cè)的功能，本文采用CAN總線的方式實(shí)現(xiàn)管理主機(jī)與檢測(cè)裝置之間數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)分布式檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

在分布式檢測(cè)系統(tǒng)中，管理主機(jī)作為上位機(jī)與下位機(jī)間通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行交互，用戶根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求通過(guò)檢測(cè)軟件對(duì)被測(cè)電纜進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，并將檢測(cè)所須信息發(fā)送給分布式檢測(cè)裝置，同時(shí)在PC界面顯示檢測(cè)裝置上傳的檢測(cè)結(jié)果。電纜檢測(cè)裝置接收主機(jī)下發(fā)的檢測(cè)命令信息，并根據(jù)指令完成電纜檢測(cè)同時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳[1]。用戶通過(guò)USBCAN轉(zhuǎn)換裝置將PC與檢測(cè)裝置進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)CAN通信。分布式電纜檢測(cè)裝置間采用公共測(cè)量線進(jìn)行連接，保證不同檢測(cè)裝置間可以形成一個(gè)檢測(cè)回路。

1.2 檢測(cè)裝置功能

電纜檢測(cè)裝置根據(jù)其功能需求主要由主控單元、處理電路單元、CAN總線接口單元、激勵(lì)源單元、通道切換單元和檢測(cè)電路單元構(gòu)成。其總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖

主控單元。該單元是測(cè)試裝置的核心，采用DSP作為CPU，內(nèi)部集成CAN通信模塊，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的過(guò)程控制和檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及上傳。

CAN總線接口單元?？偩€上的數(shù)據(jù)信息交互通過(guò)該單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

激勵(lì)源單元。該單元為電纜絕緣電阻檢測(cè)提供激勵(lì)。

通道切換單元。待測(cè)電纜通過(guò)該單元與測(cè)試回路進(jìn)行連接。

檢測(cè)電路單元。通過(guò)該單元對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，為主控單元提供匹配的信號(hào)[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 絕緣電阻檢測(cè)原理

本文采用電壓電流法對(duì)電纜的絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 電壓電流法原理圖

其中采樣電壓U1與回路電流Ix成正比，如下所示：

式中：R0為限流電阻；Rx為絕緣等效電阻；Rm為采樣電阻。由式（1）和式（2）可知：

由于激勵(lì)源、限流電阻和采樣電阻為已知量，因此絕緣電阻值如下所示：

本文采用的絕緣檢測(cè)電路如圖3所示。其中待測(cè)電纜等效絕緣電阻用R來(lái)表示，R1、R2為保護(hù)電阻，直流250、500 V為激勵(lì)源，R3為采樣電阻，為了防止過(guò)電壓對(duì)A/D造成損壞，通過(guò)二極管D1對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，接地電感L1可以減小激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)地產(chǎn)生的干擾。

對(duì)絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)電壓等級(jí)、通電時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，檢測(cè)裝置根據(jù)下發(fā)的指令信息對(duì)繼電器S1、S2進(jìn)行控制，從而將檢測(cè)所須的直流激勵(lì)源接入電路。待測(cè)電纜經(jīng)過(guò)通道切換接入回路中后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電并持續(xù)一段時(shí)間后再進(jìn)行采樣。根據(jù)回路中激勵(lì)電壓、保護(hù)電阻和采樣電阻的可以計(jì)算出絕緣電阻R的阻值[3]。

2.2 絕緣激勵(lì)源

本文采用250、500 V兩個(gè)等級(jí)的直流電壓作為電纜絕緣電阻檢測(cè)的激勵(lì)源。按照國(guó)標(biāo)GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗(yàn)方法》中關(guān)于絕緣電阻試驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定，對(duì)電源模塊進(jìn)行合理選型，并對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證激勵(lì)源滿足絕緣電阻測(cè)試需求[4]。

為了降低電源模塊的成本，絕緣電阻檢測(cè)激勵(lì)源采用兩個(gè)相同的250 V電源模塊進(jìn)行供電，當(dāng)選擇一個(gè)模塊供電時(shí)，輸出電壓為250 V，2個(gè)模塊串聯(lián)使用時(shí)可，輸出電壓為500 V，這樣有利于電源模塊的更換和維護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)要求，絕緣檢測(cè)電源應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

輸入電壓直流12 V，輸出電壓直流250 V；

輸出電壓紋波小于1%；

具有短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，限流1 mA；

電源輸出可控，過(guò)壓、欠壓時(shí)可靈活控制電源輸出。

電纜絕緣電阻檢測(cè)用直流電源框圖如圖4所示。

2.3 信號(hào)處理

檢測(cè)電路用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，其中運(yùn)算放大器和低通濾波電路的合理搭配可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，并提高其抗干擾能力，如圖5所示，其中運(yùn)放要根據(jù)精度及所處環(huán)境進(jìn)行選擇。結(jié)合實(shí)際檢測(cè)所須的精度要求，本文所設(shè)計(jì)的絕緣檢測(cè)電路選擇輸入阻抗為1.5 TΩ的運(yùn)放，共模抑制比要求不低于120 dB，運(yùn)放的選型還要考慮溫漂較低的器件。圖5中低通濾波器由電阻Rj和電容Cj構(gòu)成，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路可以消除干擾信號(hào)，保證輸入信號(hào)的穩(wěn)定，電路通過(guò)電阻R來(lái)對(duì)電流進(jìn)行限制，防止過(guò)流沖擊，穩(wěn)壓二極管將電壓穩(wěn)定在3 V，起到電壓保護(hù)的作用[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通信

CAN總線正常通信前需要對(duì)其進(jìn)行初始化配置，主要包括波特率、通信報(bào)文接收濾波方式和濾波控制寄存器的配置。CAN通信可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等報(bào)文收發(fā)方式，其中CAN通信報(bào)文是否進(jìn)行存儲(chǔ)由報(bào)文濾波技術(shù)來(lái)決定，報(bào)文濾波技術(shù)主要有2種，一種是單濾波模式，另一種是雙濾波模式，本文采用單濾波器模式，通過(guò)對(duì)驗(yàn)收碼寄存器和接收屏蔽寄存器的配置可以實(shí)現(xiàn)濾波器的控制。當(dāng)通信報(bào)文中識(shí)別符與驗(yàn)收碼寄存器的初始設(shè)定值一致時(shí)，CAN控制器才會(huì)將接收到的報(bào)文信息在緩存中進(jìn)行存儲(chǔ)[6-7]。本文CAN總線通信相關(guān)配置如表1所示。

表1 CAN通信配置表

3.2 DSP程序設(shè)計(jì)

DSP程序需要具有CAN總線通信、AD采樣和檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)控制的功能，同時(shí)還需要對(duì)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，并能對(duì)各功能單元進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，以滿足絕緣檢測(cè)的需求[8]。絕緣電阻檢測(cè)程序流程圖如圖6所示。

根據(jù)電纜絕緣檢測(cè)原理并結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)算法，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得待測(cè)電纜的絕緣特性，該裝置可以對(duì)電纜絕緣電阻進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并在上位機(jī)中顯示檢測(cè)結(jié)果，方便用戶檢測(cè)。

圖6 程序流程圖

4 功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的絕緣電阻檢測(cè)裝置的功能及其準(zhǔn)確性，將待測(cè)電纜用不同阻值的電阻來(lái)等效，絕緣檢測(cè)包括250、500 V 2種電壓模式，采用萬(wàn)用表對(duì)電阻阻值進(jìn)行測(cè)量，并將其結(jié)果作為參考值，然后與絕緣檢測(cè)裝置的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，判斷檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度。

電纜通電時(shí)間選擇1 s，分別在250 V和500 V兩種電壓模式下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，如表2所示。

由以上測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在250 V和500 V兩種電壓模式下，絕緣電阻的測(cè)量誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了絕緣電阻檢測(cè)裝置的功能及其精度。

表2 絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于多芯電纜應(yīng)用及測(cè)試面臨的問(wèn)題，從絕緣電阻檢測(cè)的角度出發(fā)，對(duì)電纜絕緣特性以及絕緣檢測(cè)進(jìn)行了研究，分析了多芯電纜絕緣電阻的測(cè)試方法，提出了一種基于微處理器+CAN總線的絕緣電阻自動(dòng)檢測(cè)裝置。首先對(duì)裝置的整體方案進(jìn)行研究，然后根據(jù)檢測(cè)功能需求對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)裝置的可行性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。該檢測(cè)方法具有操作靈活、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，采用該檢測(cè)裝置既能有效降低檢測(cè)強(qiáng)度，又能保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有很好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。