一種增強型多通道絕緣測試儀的設(shè)計

張輝 張磊 李青根

（第七一五研究所，杭州，310023）

隨著聲吶裝備維修保障任務(wù)的增加，外場工作中絕緣電阻和電容測試變得愈發(fā)頻繁，采用傳統(tǒng)的絕緣測試方法，進行多測點之間的絕緣電阻測試非常耗時。本文提出有兩種絕緣測試方法（一對多、一對一）可供選擇的測試儀，同時該測試儀具有電容測試、故障定位、高壓快速放電等功能，可極大的提高外場工作效率。測試儀由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要包括主測試模塊、高壓放電模塊、電容測試模塊、開關(guān)模塊、故障定位模塊、開關(guān)模塊背板、主控計算機和顯控模塊等；軟件采用圖形化編程語言Labview 實現(xiàn)。

1 總體設(shè)計

1.1 測試原理

1.1.1 多點測試

測試儀主要用來實現(xiàn)被測產(chǎn)品多個測點之間的絕緣電阻和電容的自動化測試。圖1 所示為多點測試原理，絕緣電阻和電容的測試功能集中在測試模塊中，測試模塊與開關(guān)模塊在測試儀內(nèi)部通過開關(guān)模塊背板連接，開關(guān)模塊將測試信號連接到被測線纜的各個測點上。閉合開關(guān)A1、B2，斷開其它開關(guān)，可測得Pin1 與Pin2 間絕緣電阻；閉合A1、B3，斷開其它開關(guān)，可測得Pin1 與Pin3 間絕緣電阻，依次輪循即可完成所有測點間的絕緣電阻測試。開關(guān)選擇及通斷控制由軟件完成。電容測試和絕緣測試步驟類似。可以一對多、一對一兩種絕緣測試方法，實現(xiàn)不同測試需求。

圖1 多點測試原理

1.1.2 絕緣電阻測試

如圖2 所示，給被測產(chǎn)品施加一個已知高電壓，測試絕緣體之間的漏電流，通過歐姆定律計算得到絕緣體間的絕緣電阻值。因絕緣電阻測試的加載電壓較高、測試電流小，直流電源模塊選用專用高壓發(fā)生器，電流表選用微安級小電流測試模塊。

圖2 絕緣電阻測試原理

1.1.3 電容測試

電容測試采用復(fù)阻抗測試原理，如圖3 所示。對被測產(chǎn)品（DUT）施加一個正弦交流激勵信號，通過測試其矢量電壓Vx和矢量電流Ix測得其復(fù)阻抗Zx，進而通過電容分量Xc=1/(2πfC)計算得到電容C。由運放的虛短與虛斷原理可知Ix=Ir，Ir=Vr/Rr，進而可得Zx=Rr×(Vx/Vr)。其中，Vx和Vr可通過兩個同步電壓采集通道獲得其對應(yīng)的幅度和相位參數(shù)。

圖3 復(fù)阻抗測試原理圖

由圖3 可知，測試引線上的阻抗分量也會一起被疊加到DUT 的測試結(jié)果中，為了消除測試引線上的阻抗分量的影響，采用4 線測試方法，將正弦波激勵信號線和電壓測試信號線單獨引出，各自分別連接到被測DUT 的兩個測試端子上，可以消除測試引線對測試結(jié)果的影響。

1.1.4 故障定位

采用時域脈沖反射（Time Domain Reflectometry，TDR）法來實現(xiàn)被測電纜的故障點定位[1]。如圖4所示，在傳輸線理論中，信號在電纜中會以接近光速的某一固定速度v進行傳輸，當(dāng)遇到傳輸線的特性阻抗發(fā)生變化的地方（故障點），信號就會發(fā)生反射，從而在信號的入射點觀察到反射回來的信號。在被測電纜的信號注入端，只要能夠測得發(fā)射信號和反射信號的時間差t，即可計算得出故障點到電纜頭的距離S=v×t/2。

圖4 TDR 故障定位原理

由于信號在不同電纜中的傳輸速度v有可能不一樣，所以不能用一個統(tǒng)一的傳輸速度來進行所有電纜的故障定位。對不同的電纜，測試前需要對其傳輸速度比進行校正，否則可能會帶來較大的誤差。

1.1.5 高壓放電

由于被測產(chǎn)品的芯線之間具有大電容的特點，絕緣電阻測試之后，芯線之間會積累大量的高壓電荷，該高壓電荷會對后續(xù)的電容測試產(chǎn)生破壞性影響。所以，絕緣電阻測試完成之后，需要對被測芯線進行高壓電容放電。計算公式如下：

式中，Vt為電容放電t時間之后電容兩端的電壓，E為放電前電容兩端的初始電壓，C為放電電容的容值，R為電容的放電電阻。在本測試儀中，加入兩級快速放電模塊，依次以99、25 kΩ 放電電阻進行放電，可以快速實現(xiàn)高壓電容的放電，放電效率比傳統(tǒng)測試儀大幅提高。

1.2 測試儀總體設(shè)計

測試儀的系統(tǒng)組成如圖5 所示。主控計算機和顯控模塊主要實現(xiàn)測試儀的主控功能；主測試模塊用于實現(xiàn)絕緣電阻測試；高壓放電模塊用于為主測試模塊提供快速高壓電容放電的功能；電容測試模塊主要用于實現(xiàn)電容測試；開關(guān)模塊用于實現(xiàn)測試信號在被測電纜的不同芯線之間的切換；故障定位模塊用于實現(xiàn)被測電纜故障芯線的故障點定位；測試接口用于把開關(guān)模塊和故障定位模塊輸出的測試信號轉(zhuǎn)接到測試儀主機面板的連接器上，使得測試儀的對外測試連接方便可靠。測試儀采用DC 12 V供電接口，可以通過電源適配器連接AC 220 V 電源供電，也可兼容外部蓄電池供電。根據(jù)不同的測點數(shù)要求，測試儀可以選配多個開關(guān)模塊。開關(guān)模塊通過背板與測試儀連接，可以方便地實現(xiàn)最大測點數(shù)的擴展。

圖5 測試儀系統(tǒng)組成

2 硬件設(shè)計

2.1 主控計算機

主控計算機選用低功耗計算機模塊。CPU 采用Intel Atom四核1.91 GHz低功耗處理器，內(nèi)存4 GB，硬盤120 GB SSD 硬盤，支持VGA、LVDS 和HDMI視頻顯示接口，具有2 個10/100/1000 Mbps 網(wǎng)絡(luò)接口，1 個16 位數(shù)字IO 接口，4 個RS232 接口，4個USB2.0 接口。

2.2 主測試模塊

主測試模塊具有電阻、絕緣電阻等測試功能，程控接口可以通過計算機控制各測試功能模塊。絕緣測試加載電壓可設(shè)置為250、500、1000 和2500 V四檔；測試量程為1～200 MΩ（@250 V）、1 ～500 MΩ（@500 V）、1 MΩ～1GΩ（@1000 V）、3 MΩ～1 GΩ（@2500 V）；基本誤差小于5%?？梢耘c開關(guān)模塊組合，實現(xiàn)多通道線纜測試功能。

2.3 高壓放電模塊

高壓放電模塊主要通過繼電器開關(guān)控制高壓功率電阻實現(xiàn)高壓電容的快速放電。圖6 中，R1和R2 為放電電阻，K1 和K2 是高壓開關(guān)。閉合K1開關(guān)，可以控制R1 電阻進行放電；閉合K2 開關(guān)，可以控制R2 電阻進行放電。

圖6 高壓放電原理圖

2.4 電容測試模塊

電容測試模塊具有測試通道1 路，測試范圍10 nF～50 μF，基本誤差小于5%，正弦波激勵頻率100 Hz、1 kHz、10 kHz 和100 kHz，支持4 線電容測試，具有USB 程控通訊接口，采用SCPI 協(xié)議控制命令。

2.5 開關(guān)模塊

開關(guān)選用耐高壓開關(guān)模塊，具有繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計功能，可實現(xiàn)多通道的開關(guān)切換測試，多路開關(guān)各通道耐壓值大于2500 V。本設(shè)計采用3 個16 點22002 型耐高壓開關(guān)模塊，實現(xiàn)最大48 點的電纜測試要求。

2.6 故障定位模塊

故障定位模塊選用FDT-1060 型，具有250 m、500 m、1 km、2 km 量程，基本誤差小于5%，故障類型可分為短路、斷路、接觸松動；電纜類型分為同軸線、屏蔽線、雙絞線、多股線，具有RS485 串口通訊接口功能。

2.7 開關(guān)模塊背板

開關(guān)背板采用歐卡連接器與開關(guān)模塊連接，最多可連接3 個開關(guān)模塊，可為開關(guān)模塊提供電源，可控制各個開關(guān)模塊的動作，實現(xiàn)各測試信號到開關(guān)模塊的路由。

2.8 顯控模塊

顯控模塊選用1 個10.4 寸工業(yè)顯示屏和1 個電阻觸摸屏，可以通過面板上的2 個USB 接口外擴鍵盤和鼠標。

2.9 測試接口

測試接口最大輸出2500 V 的直流電壓。為承受高壓，接口選用矩形重載連接器。

3 軟件設(shè)計

軟件功能可以分成7 個任務(wù)實現(xiàn)，分別為軟件測試界面事件任務(wù)、自動測試任務(wù)、手動測試任務(wù)、故障定位任務(wù)、校準任務(wù)、數(shù)據(jù)管理任務(wù)和系統(tǒng)配置任務(wù)[2]。軟件框架如圖7 所示。

圖7 軟件總體框架

3.1 軟件測試界面事件任務(wù)

根據(jù)測試需求，結(jié)合了LabView UI 設(shè)計顯示控件，采用“測試主界面+菜單”的架構(gòu)。測試主界面主要實現(xiàn)自動測試的人機接口功能，而手動測試任務(wù)、故障定位任務(wù)、校準任務(wù)、數(shù)據(jù)管理任務(wù)和系統(tǒng)配置任務(wù)等可通過選擇相應(yīng)的菜單選項，進入其對應(yīng)的任務(wù)操作界面。

圖8 為軟件測試主界面。在該界面中，先選擇被測產(chǎn)品對應(yīng)的電纜組，再選擇該電纜組中需要測試的被測電纜，在測試類型中選擇“電容測試”或“絕緣測試”，啟動所選被測產(chǎn)品電纜的測試。程序依次對被測電纜的各個芯線進行測試，數(shù)據(jù)按測試順序逐條顯示在測試主界面的測試表格中。

圖8 測試主界面

測試表格中的數(shù)據(jù)包括：每一個被測芯線的測點信息、測試值、測試判據(jù)，以及由測試值和測試判據(jù)共同得出的測試結(jié)論。若測試數(shù)據(jù)超出判據(jù)，測試結(jié)論為“不合格”，該條測試記錄以醒目的“紅色”字體顯示。在測試過程中，可以點擊暫停按鈕，停止或退出當(dāng)前測試。在絕緣測試過程中會出現(xiàn)閃爍的“高壓危險！”警示標識。

3.2 自動測試任務(wù)

本測試任務(wù)的自動化程度比較高，人機接口比較簡單。通過早期輸入的測試數(shù)據(jù)信息，在測試界面選擇“被測電纜”、“測試類型”，啟動測試任務(wù)，直到測試結(jié)束并保存測試數(shù)據(jù)。該測試方式可達到多點測試的目的。

3.3 手動測試任務(wù)

在手動測試中，可以對電容測試模塊、絕緣測試模塊和開關(guān)模塊進行單獨的手動操作，類似于操作三種獨立的臺式儀器，可以隨意實現(xiàn)被測電纜的任意兩個芯線之間的電容測試和絕緣測試，靈活地實現(xiàn)對任意被測電纜芯線的抽測。通過對開關(guān)模塊的接通方式進行設(shè)定后，主測試模塊或電容測試模塊與開關(guān)模塊配合，實現(xiàn)對被測電纜的某芯線的手動抽測，達到單點測試的目的。

3.4 故障定位任務(wù)

主要通過程控接口控制故障定位功能模塊發(fā)送測試脈沖，并將采集到的反射信號波形進行分析處理，從而實現(xiàn)故障定位。在軟件測試界面菜單選項中，選擇故障定位，配置測試量程、阻抗等硬件參數(shù)后，啟動測試，發(fā)送測試脈沖，對故障定位模塊采集返回的測試波形進行分析處理，將結(jié)果顯示在故障定位界面上。

3.5 校準任務(wù)

校準任務(wù)用于對絕緣電阻測試和電容測試的系統(tǒng)誤差進行補償修正。本設(shè)計采用一次線性函數(shù)y=ax+b的算法模型。其中，x為測試值，y為標準值，a和b為校準參數(shù)。通過兩組x和y，解方程即可得到校準參數(shù)a和b的值，將計算得到的a和b帶入y=ax+b中，即可得到補償修正后的測試值y。為了提高測試精度，絕緣電阻測試模塊和電容測試模塊均需要計算各自的校準參數(shù)。

3.6 數(shù)據(jù)管理任務(wù)

在該任務(wù)中可以對保存的測試數(shù)據(jù)進行檢索、查看和導(dǎo)出。數(shù)據(jù)檢索支持多關(guān)鍵字搜索，可以快速地實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的查找定位。對查找的測試數(shù)據(jù)記錄，可查看該條記錄中的所有測試數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，測試數(shù)據(jù)以表格形式顯示，相關(guān)信息記錄在對應(yīng)的文本框中。測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可以將選定的測試數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)出成Excel 格式的數(shù)據(jù)文件，并將其保存到指定的路徑下。

3.7 系統(tǒng)配置任務(wù)

測試配置任務(wù)包括測試參數(shù)配置和硬件配置兩部分。主要通過軟件界面的數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)庫讀寫操作實現(xiàn)。測試參數(shù)配置主要用于配置被測對象的接線關(guān)系、測試電壓、測試合格判據(jù)等相關(guān)參數(shù)。如圖9 所示，在測試對象配置界面，選擇電纜組，新增電纜，依據(jù)被測電纜技術(shù)要求，在接線表配置文件中輸入該電纜被測芯線對應(yīng)開關(guān)測點號、測試加載電壓和測試合格判據(jù)等，按路徑導(dǎo)入接線表和提示圖，點擊“增加”即可將新電纜添加到所選電纜組中。其中，接線表為xls 格式的配置文件，模板固定，提示圖為jpg 格式的圖片文件。刪除電纜時，選定電纜，點擊“刪除”即可完成。硬件配置主要用于配置電容測試模塊、絕緣電阻測試模塊和開關(guān)模塊相關(guān)的硬件參數(shù)。

圖9 測試對象配置界面

4 結(jié)束語

多通道絕緣測試儀經(jīng)測試分析和計量比對，測試精度滿足設(shè)計要求[3]，能夠自動實現(xiàn)被測線纜所有測點的測試，實現(xiàn)多通道快速檢測、故障自檢和快速放電，并可對電纜中的短路和斷路故障點進行快速定位，大大提高了外場檢測工作效率?；贚abView 編寫的上位機簡單易用，能夠滿足被測對象的測試需求，并能保存和導(dǎo)出Excel 格式的數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)無紙化記錄。相較傳統(tǒng)測試儀[4]，此設(shè)備增加了絕緣電阻和電容多點測試、故障定位、高壓快速放電、數(shù)據(jù)管理等功能，大大提高了測試效率，為測試人員維修設(shè)備、查看測試數(shù)據(jù)提供了方便。在后續(xù)的研究中，可考慮集成電流測試功能并進一步小型化，這樣可以完全省去通用儀表，集成度更高，測試和攜帶也會更加方便。