基于繼電器矩陣卡的多通道電纜絕緣測試設(shè)備設(shè)計(jì)與分析

陳衛(wèi)華 楊茂祥

（第七一五研究所，杭州，310023）

在聲吶設(shè)備生產(chǎn)過程中，電纜的絕緣與通斷測試是必經(jīng)的工序[1]?，F(xiàn)有的測試方法為：將搖表（絕緣阻抗測試儀）電壓設(shè)置為100～2500 V，人工將搖表的一條輸入線與電纜的其中一條芯線接觸，搖表另外一條輸入線與電纜的其他芯線依次接觸并測試絕緣情況（每條芯線測試需要保壓3～5 s）。由于電纜數(shù)量多，且需反復(fù)測試，以 37芯電纜為例，僅一次絕緣就需測試600余次，測試過程中不允許出現(xiàn)漏測，600余次的測試大約需要2 h。由于測試次數(shù)多、時(shí)間長，測試過程極易出現(xiàn)不可控原因打斷測試，或由于長時(shí)間重復(fù)單一工作而導(dǎo)致漏測。每次出現(xiàn)漏測都需要重新進(jìn)行測試工作，耗時(shí)長；假設(shè)出現(xiàn)漏測但未重新測試，則將對整個(gè)聲吶設(shè)備生產(chǎn)合格率造成影響。為提高測試效率、降低測試出錯(cuò)率和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)了一種基于繼電器矩陣卡的多通道電纜絕緣測試設(shè)備。

1 工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

為完成電纜芯線間絕緣測試的自動(dòng)化，本設(shè)備需要有以下功能：（1）最大可測試電纜芯線數(shù)目為50芯；（2）絕緣最高電壓2500 V；（3）絕緣測試電壓可從0～2500 V自由調(diào)整；（4）測試軟件可自主設(shè)計(jì)測試過程，并保存測試結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備由工控機(jī)、高壓隔離切換模塊、輸入板卡、絕緣電阻測試儀、系統(tǒng)顯示器、繼電器矩陣卡、轉(zhuǎn)接工裝等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。測試設(shè)備除繼電器矩陣單元因有特殊要求，暫無標(biāo)準(zhǔn)板卡可選用，其他部分都選用了標(biāo)準(zhǔn)板卡，降低了研發(fā)成本，提高了設(shè)備可靠性。絕緣阻抗測試儀為絕緣測試過程的核心測試儀器，選用SE-7430安規(guī)分析儀。該儀器的兩條輸入線通過高壓繼電器矩陣卡與被測電纜芯線連接，以實(shí)現(xiàn)對電纜的芯線間的絕緣測試；數(shù)據(jù)輸出端口通過RS232接口與工控機(jī)連接，以實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的輸出。轉(zhuǎn)接工裝主要用于被測電纜與儀器的快速對接。轉(zhuǎn)接工裝上集成了與常用電纜連接器對接的插頭或插座，對應(yīng)電纜測試時(shí)只需要將連接器插在本轉(zhuǎn)接工裝上。如有新增連接器類型，可將本轉(zhuǎn)接工裝拆下，設(shè)計(jì)對應(yīng)轉(zhuǎn)接工裝與連接器連接，以實(shí)現(xiàn)同類型電纜與測試設(shè)備的快速對接。

圖1 多通道電纜絕緣測試設(shè)備組成框圖

1.3 系統(tǒng)測試方式

采用自動(dòng)化設(shè)備對電纜芯線間絕緣進(jìn)行測試，如仍模仿人工采用一對一的方式進(jìn)行測試，則測試時(shí)間仍然較長，分析過程如下。

設(shè)電纜芯線數(shù)為N，則按照上述測試方式需要測試次數(shù) T=N×(N-1)/2，當(dāng) N=50時(shí)，T=1225，由于絕緣測試需要保壓3～5 s，則對于50芯電纜而言，每次測試時(shí)間需近 3 h。由于多芯線數(shù)的電纜測試時(shí)間過長，且電纜絕緣不合格本是小概率事件，所以本儀器測試時(shí)采用一對多的測試方式，即將多條芯線短接后測試其相對某一根芯線的絕緣。但由于此方式類似于將多條芯線并聯(lián)，芯線數(shù)目越多，短接后與對應(yīng)芯線的絕緣阻值越小，越容易使得測試結(jié)果失真，因此，在測試次數(shù)最少的情況下需盡量將短接芯線的數(shù)量最小化。最終設(shè)計(jì)測試方式為：

對于第i根芯線，一次性測試其相對其余(N-1)/2根芯線的絕緣，具體為第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2，當(dāng)ik>N時(shí)，ik=ik-N。當(dāng)絕緣值不合格時(shí)，再對第i根芯線分別與第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2根芯線的測試[2]。

這樣，在絕緣合格的情況下，總測試次數(shù)為N-1次。效率相較直接自動(dòng)化測試提高了(N-1)/2倍，假設(shè)N=50，效率提高了近 50倍。當(dāng)絕緣不合格時(shí)，效率提高倍數(shù)減小，只有在極端情況下，才與人工一對一的測試方式效率相近。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路

圖2為本設(shè)備的主電路圖，主線路為220 V交流電源，依次給24 V開關(guān)電源、工控機(jī)、高壓源（絕緣測試儀）、5 V開關(guān)電源供電，其中5 V開關(guān)電源用于給隔離控制卡與輸入信號卡供電。

圖2 主電路圖

2.2 高壓切換電路

圖3為高壓繼電器矩陣卡電路圖，HV+IN、HV-IN分別為絕緣測試儀的兩條高壓正負(fù)極輸入線，每一個(gè) HV OUT點(diǎn)通過轉(zhuǎn)接工裝最終連接到線纜的芯線上。每一個(gè)HV OUT通過兩組高壓繼電器控制，一端控制接入HV+ IN，一端控制接入HV-IN。另外 HV+IN、HV-IN由繼電器控制是否與高壓繼電器矩陣卡接通，另有繼電器控制 5V-的電源是否接入矩陣卡。當(dāng)絕緣測試時(shí)，需要接通 HV+IN與HV-IN而斷開5V-，當(dāng)通斷測試時(shí)，需要斷開HV+IN與HV-IN而接通5V-。

圖3 高壓繼電器矩陣卡電路圖

2.3 隔離控制電路

圖4為隔離控制電路，其中PC為上位機(jī)，發(fā)送命令控制繼電器的開閉。高壓繼電器矩陣卡中的繼電器的線圈與隔離控制卡的繼電器串接，從而通過隔離控制卡的繼電器控制高壓繼電器矩陣卡中的繼電器的開閉。

圖4 隔離控制電路

2.4 通斷測試電路

圖5為輸入信號卡電路，該信號卡用于電纜的通斷測試。圖中的HV OUT為接電纜芯線的非絕緣測試端。測試時(shí)，需要斷開圖3中HV+ IN與HV-IN而接通5 V-。此時(shí)電纜芯線與輸入信號卡的繼電器線圈串入5 V電壓的回路，當(dāng)該芯線接通時(shí)，輸入信號卡的繼電器閉合，反饋信號給輸入信號卡控制端，進(jìn)而將測試結(jié)果通過通訊線反饋給上位機(jī)。上述通斷測試方法為同步測試，在設(shè)備允許的情況下，測試時(shí)間與電纜芯線數(shù)幾乎無關(guān)，大大提高了通斷的測試效率。

圖5 輸入信號卡電路

3 設(shè)備使用與結(jié)果分析

3.1 測試流程

設(shè)備測試時(shí)，首先需要將電纜的兩端對接在設(shè)備轉(zhuǎn)接工裝上。啟動(dòng)設(shè)備，運(yùn)行測試軟件，首先是自檢功能，以保證設(shè)備運(yùn)行正常，之后啟動(dòng)測試。當(dāng)測試結(jié)束后，所有測試數(shù)據(jù)保存在測試報(bào)表中，并于軟件中顯示電纜絕緣與通斷是否合格，如不合格，設(shè)備報(bào)警并顯示出具體不合格絕緣或不合格通斷芯線。軟件測試流程如圖6所示。

圖6 軟件測試流程

3.2 測試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)備是否可行并判斷測量結(jié)果誤差是否滿足要求，我們進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組判斷是否可行，另外一組確定測量誤差。

第一組實(shí)驗(yàn)，按照設(shè)備正常操作進(jìn)行測試，選擇性將某些芯線短接測試絕緣，某些芯線斷開測試通斷。通過多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)備可按照上述流程測試并在報(bào)表中正確顯示絕緣測試時(shí)短接的芯線及通斷測試時(shí)斷開的芯線。

第二組實(shí)驗(yàn)，將特定高阻值電阻接入設(shè)備中，通過設(shè)置軟件依次測量不同阻值的電阻，記錄測試結(jié)果，然后使用手動(dòng)絕緣測試儀測量電阻阻值，并記錄測試結(jié)果，數(shù)據(jù)見表 1[3]。測試誤差為本設(shè)備測量值相對手動(dòng)絕緣測試儀測量值的誤差。通過分析表1數(shù)據(jù)可以得出，測試誤差基本控制在1%以內(nèi)。因此，若要準(zhǔn)確檢測出不合格品，可將電纜的要求絕緣值提高 1%以上。而實(shí)際測量時(shí)，線纜的絕緣值一般都為要求絕緣值的數(shù)倍甚至儀器測量范圍之外，因此本設(shè)備的測量誤差基本可忽略不計(jì)。

表1 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果 MΩ

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種多通道電纜絕緣自動(dòng)測試設(shè)備，主要利用矩陣卡技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)絕緣測試設(shè)備完成自動(dòng)化測試，提高了測試效率并降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。本文擴(kuò)展了矩陣卡在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，對其他產(chǎn)品測試過程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)具有借鑒意義。